DE3429935C2

DE3429935C2 - Direktbetätigte Flügelzellenpumpe

Info

Publication number: DE3429935C2
Application number: DE3429935A
Authority: DE
Inventors: Josef 8771 Wiesthal Büdel; Jörg 8770 Lohr-Sackenbach Dantlgraber; Horst 8770 Lohr Fischer; Albert 8750 Aschaffenburg Müller; Karl 8773 Frammersbach Staub
Original assignee: Mannesmann Rexroth AG
Current assignee: Bosch Rexroth AG
Priority date: 1984-08-14
Filing date: 1984-08-14
Publication date: 1987-02-12
Also published as: IT1184814B; JPS6170189A; DE3429935A1; IT8521914A0; US4780069A

Abstract

Die Erfindung sieht eine direktbetätigte druckgeregelte Flügelzellenpumpe mit einem vom Pumpendruck beaufschlagten Stellkolben vor, bei welchem entweder eine gelenkige Verbindung zwischen Stellkolben und Hubring vorgesehen ist oder aber der Stellkolben selbst gelenkig ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine direktbetätigte druckgeregelte Flügelzellenpumpe mit einem Gehäuse, in dem ein Hub- oder Statorring angeordnet ist, in dessen Innerem ein die Flügel tragender Rotor drehbar sich befindet, und wobei sich im Gehäuse abstützende Federmittel am Hubring angreifen und bestrebt ist, diesen in seine zum Rotor exzentrische Ausgangslage zu drücken.
Direktbetätigte druckgeregelte Flügelzellenpumpen sind bereits seit langem bekannt, wobei sich der Ausdruck " direktbetätigt" darauf bezieht, daß solche Pumpen keine Regeleinrichtungen und zugehörige Hydraulikkolben verwenden. Direktbetätigte, druckgeregelte Flügelzellenpumpen verwenden, wie eingangs erwähnt, auf den Hubring einwirkende Federmittel, wobei im allgemeinen diametral zum Angriffspunkt der Federmittel am Hubring eine einstellbare Schraube angreift, durch welche die maximale Exzentrizität und damit das maximale Verdrängungsvolumen einstellbar ist. Die bereits erwähnten Federmittel können üblicherweise mittels einer Stellschraube hinsichtlich der ausgeübten Federkraft variiert werden.
Bei der eingangs genannten direktbetätigten Flügelzellenpumpe wirkt der sich durch einen Arbeitswiderstand aufbauende Druck an der Druckseite der Pumpe auf die Innenlauffläche des Hubrings. Dadurch ergibt sich eine horizontale Kraftkomponente mit Wirkrichtung zu den Federmitteln. Aus Gründen der Geräuschoptimierung ist nun der vom Nutbild der Pumpe abhängige Winkel zwischen der Horizontalkomponente und der gesamten auf den Hubring ausgeübten Kraft nahe 90°, so daß die genannte Horizontalkomponente verhältnismäßig klein ist. Dies hat zur Folge, daß bei einer Änderung des System- oder Pumpendrucks nur eine kleine Änderung der Horizontalkomponente auftritt. Dies bedeutet nur eine kleine Beschleunigung des Hubrings, was zu einer niedrigen Verstellgeschwindigkeit führt. Weiterhin ist zu bemerken, daß in der gleichen Richtung aber entgegengesetzt zu der genannten Horizontalkomponente eine Störkraft wirkt, die in erster Linie durch die Vorverdichtung im Umsteuerbereich der Pumpe bestimmt ist und die mit kleiner werdender Horizontalkomponente zunimmt. Diese Störkraft ist nicht druckproportional, so daß mit zunehmendem Einfluß der Störkraft gegenüber der genannten Horizontalkomponente die Abregelkennlinie der Pumpe ( Föderstromabnahme über Druck) verschlechtert wird. Durch diese Störkraft wird die Kennlinie gekrümmt, wodurch es zum Übersteuern der Pumpe (zu einem Druckwert gehören 2 oder mehrere Förderstromwerte) und damit zur Instabilität kommen kann.
Aus der DE-OS 22 36 748 ist eine Flügelzellenpumpe bekannt, bei der ein vom Pumpendruck beaufschlagter Stellkolben am Hubring anliegt. In dieser Druckschrift wird die Problematik des Verschleißes von Schlitz und Flügel angesprochen, wobei durch eine besondere Ausbildung der Innenkontur des Hubrings ein solcher Verschleiß vermieden werden soll. Der gemäß dieser Druckschrift vorgesehene Stellkolben ist im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung erforderlich, um den Hubring gegen die Kraft einer Feder in die Neutralstellung zu verschieben (in der keine Förderung mehr stattfindet), weil keine innere druckabhängige Kraft gegen die Feder ge -richtet ist. Ferner wird das durch die bekannte Pumpe erzielte Regelverhalten wegen der Reibung zwischen dem Stellkolben und dem Hubring nicht ausreichend sein.
Es sei ferner auf die GB-PS 8 50 425 hingewiesen, die bereits einen Stellkolben verwendet, der den Hubring entgegen der Kraft einer Feder verschiebt. Dabei ist der Hubring zur Vermeidung des Abrollens durch Rollen geführt, was eine komplizierte Bauweise zur Folge hat.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine direkt betätigte, druckgeregelte Flügelzellenpumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart auszubilden, daß bei gleichzeitiger Geräuschoptimierung auch eine hysteresefreie Pumpenkennlinie (Fördermenge abhängig von der Zeit) erhalten wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung bei einer Flügelzellenpumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 die im kennzeichnenden Teil dieses Anspruchs angegebenen Maßnahmen vor. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt
Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine direktbetätigte druckgeregelte Flügelzellenpumpe gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2 anhand eines schematischen Querschnitts durch eine direktbetätigte druckgeregelte Flügelzellenpumpe das Grundprinzip der Erfindung;
Fig. 3 anhand eines schematischen Querschnitts ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 4 anhand eines schematischen Querschnitts ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 5 einen schematischen Querschnitt durch ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 6 einen schematischen Querschnitt durch ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 7 einen schematischen Querschnitt durch ein sechstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 8 einen schematischen Querschnitt durch siebtes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 1 zeigt schematisch im Querschnitt eine direktbetätigte druckgeregelte Flügelzellenpumpe 100 gemäß dem Stand der Technik. Diese bekannte Pumpe 100 weist ein einem Gehäuse 11 angeordnet einen Hub- oder Statorring 1 auf. Innerhalb des Statorrings ist ein Rotor 12 angeordnet und trägt eine Viel -zahl von Flügeln 16, die mit der Innenlauffläche 28 des Hubrings 1 beim Betrieb der Pumpe in Berührung kommen und mehrere Kammern bilden. Der Rotor 12 ist in bekannter, aber nicht dargestellter Weise im Gehäuse 11 drehbar gelagert. Die Drehrichtung des Rotors 12 ist durch den Pfeil 29 angegeben. Bei 35 ist schematisch der Druckraum oder Druckbereich der Pumpe 100 angedeutet.
In Richtung der Rotorachse verläuft die Längsachse 13 der Pumpe. Zusätzlich sind in sämtlichen Figuren noch die beiden senkrecht aufeinander stehenden Querachsen 14 und 15gezeigt, wobei die Achse 14 als Federangriffs-Querachse und die Achse 15 als Höhenabstütz-Querachse bezeichnet werden könnte.
Eine sich im Gehäuse abstützende Feder 2 greift außen am Hubring 1 an un drückt diesen gegen eine im Gehäuse angeordnete Schraube 26 in bekannter Weise.
Beim Betrieb der Pumpe wird der sich durch einen Arbeitswiderstand aufbauende Druck an der Druckseite auf die Innenlauffläche des Hubrings auswirken, wobei diese Kraft in Fig. 1 (und auch in den übrigen Figuren) mit F bezeichnet sei. Die Horizontalkomponente der Kraft F sei mit F 1 bezeichnet, die Vertikalkomponente sei mit F 2 bezeichnet.
Aus Gründen der Geräuschoptimierung ist der vom Nutbild der Pumpe 100 abhängige Winkel α nahe 90°, so daß die Horizontalkomponente F 1 der druckabhängigen Kraft F verhältnismäßig klein ist. Nachzutragen ist noch, daß die durch die Feder 2 auf den Hubring 1 ausgeübte Kraft mit F _F bezeichnet ist.
Neben den bereits genannten Kräften tritt noch die mit F _St bezeichnete Störkraft auf, die hauptsächlich durch die Vorverdichtung im Umsteuerbereich entsteht und bestimmt wird, und die mit kleiner werdender Horizontalkomponente F 1 (in ihrem Einfluß) zunimmt. Wie bereits einleitend erwähnt, ist diese Störkraft F _St nicht druckproportional. Dies hat zur Folge, daß mit zunehmendem Einfluß von F _St gegenüber F 1 die Abregelkennlinie der Pumpe verschlechtert wird.
Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, daß der Einfluß der Störkraft F _St dadurch in seiner Bedeutung vermindert werden kann, daß man eine druckproportionale Zusatzkraft Fz erzeugt, die entgegen der Störkraft F _St wirkt. Dies ist in Fig. 2 dargestellt.
Fig. 2 zeigt, ähnlich wie Fig. 1, eine direktbetätigte druckgeregelte Flügelzellenpumpe, die mit 101 bezeichnet ist, wobei im übrigen aber wiederum ein Gehäuse 11, ein Rotor 12 sowie ein Hubring 1 vorhanden sind. Ferner ist auch wiederum die Feder 2 dargestellt sowie die bereits anhand der Fig. 1 erläuterten Achsen 13, 14 und 15.
Die von der Feder 2 ausgeübte Kraft F _F kann nunmehr größer sein, da der in Fig. 2 diametral zum Angriffspunkt der Feder F _F am Hubring 1 angreifende Stellkolben 3 eine Kraft Fz auf den Hubring 1 ausübt, und zwar dadurch, daß der Druckraum 10 des Kolbens 3 über eine Leitung 4 mit dem Druckraum 35 der Pumpe 101 in Verbindung steht. Der System- oder Pumpendruck wirkt also ständig auf die Planfläche des Stellkolbens 3 und erzeugt so die druckproportionale Zusatzkraft Fz.
Durch diese Anordnung wird erreicht, daß die einleitend erwähnten Nachteile vermieden werden können.
Anhand der weiteren Figuren seien zusätzliche Ausführungs -beispiele der Erfindung beschrieben, wobei, wenn nicht anders erwähnt, für gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen verwendet wurden. Der Einfachheit halber werden bereits ausführlich anhand der Fig. 1 und 2 beschriebene Bauteile nicht nochmals erwähnt.
Nachdem eine direkte Übertragung der Kraft Fz - wie dies in Fig. 2 dargestellt ist - zu Hysterese der Druckregelkennlinie führt, ist auf die reibungsarme Kraftübertragung vom Stellkolben 3 auf den Hubring 1 besondere Aufmerksamkeit zu richten. Erfindungsgemäß wird - vgl. dazu Fig. 3 - ein gelenkiges Zwischenstück 5 zwischen dem eigentlichen Kolben 33 und dem Hubring 1 eingebaut. Dadurch wird die Reibung wesentlich vermindert. Im einzelnen sitzt das Zwischenstück 5 in einer Bohrung 23 des eigentlichen Kolbens 33. Die Bohrung 23 endet in einer kegelförmigen Lagerfläche 21, auf der das beidseitig abgerundete stiftförmig ausgebildete Zwischenstück 5 aufliegt. Das andere abgerundete Ende des Zwischenstücks 5 liegt auf einer ebenfalls kegelförmigen Lagerfläche 22 auf, die im Außenumfang des Hubrings 1 ausgebildet ist. Eine Feder 7 befin -det sich im Druckraum 10 anliegend am eigentlichen Kolben 33 und hält so das Gelenkstück 5 dauernd eingespannt. Der Druckraum 10 des Kolbens 3 steht wiederum über eine Leitung 4 mit dem Druckraum 35 der Pumpe 101 in Verbindung.
Eine Arretierung 6, die vorzugsweise in der üblicherweise bei Pumpen dieser Bauart vorhandenen Höheneinstellschraube ausgebildet ist, greift in eine Bohrung 24 im Hubring 1 ein und sichert diesen so gegen Verdrehung.
Fig. 4 zeigt die Möglichkeit einer Verkleinerung des Bauraums unter Verwendung der allgemeinen Konstruktion gemäß Fig. 3. Man erkennt, daß gegenüber Fig. 3 bei der Fig. 4 der Kolben gegenüber der Querachse 14 um den Abstand 17 verschoben ist. Eine Bohrung 25 im Außenumfang des Hubrings 1 ermöglicht dem Gelenkstück 5 den Zutritt zur Lagerfläche 22.
Um eine reibungsarme Lagerung des Kolbens zu erreichen, kann gemäß Fig. 5 auch ein kugelförmiger Kolben 30 Verwendung finden. Dieser Kolben 30 ist verglichen mit der Kolbenkonstruktion 3 gemäß Fig. 3 einstückig und sitzt mit seinem verjüngten, entsprechend dem Zwischenstück 5 gemäß Fig. 3 ausgebildeten Ende auf der kegelförmigen Lagerfläche 21, während das andere verbreiterte Ende im Druckraum 10 geführt ist. Die Abdichtung gegen die Bohrung 36 des Stellkolbens 30 kann sowohl als Spaltdichtung wie auch durch einen Kolbenring 8 oder durch eine - nicht gezeigte - elastische Dichtung erfolgen.
Auch dieser Kolben 30 gemäß Fig. 5 kann analog zur Anordnung gemäß Fig. 4 "tiefer" angeordnet werden, was aber nicht dargestellt ist.
Fig. 6 zeigt, daß zur Verminderung der Reibung zwischen einem Stellkolben 31 und dem Hubring 1 ein hydrostatisches Druckfeld 9 verwendet werden kann. Dem hydrostatischen Druckfeld 9 wird unter Systemdruck stehendes Öl zugeführt, und zwar über einen Kanal 42 im Kolben 31. Der Kanal 42 verbindet den Druckraum 10 mit einer am hubringseitigen Ende des Kolbens 31 ausgebildeten Ausnehmung 41. Eine Leitung 4 verbindet den Druckraum 35 der Pumpe mit dem Druckraum 10 des Kolbens 31.
Fig. 7 zeigt eine andere Möglichkeit der Zuführung des System- oder Pumpendrucks zum hydrostatischen Druckfeld 9, und zwar geschieht dies hier mittels eines Verbindungskanals 40 im Hubring 1. Der Verbindungskanal 40 steht einerseits mit dem Druckraum 35 der Pumpe und andererseits mit dem Druckfeld 9 in Verbindung. Der Kanal 42 im Stellkolben 31 leitet unter Systemdruck stehendes Drucköl auch dem Druckraum 10 zu.
Wie bei den anderen Ausführungsbeispielen ist auch hier eine Feder 7 im Druckraum vorgesehen und die Abdichtung des Kolbens 31 geschieht durch eine Dichtung 8. Ferner ist eine Arretierung 6 vorhanden.
Fig. 8 zeigt schließlich einen Stellkolben 32, der an sei -ner Kontaktstelle 19 zum Hubring 1 sphärisch ausgebildet ist, um an einer kegeligen oder sphärischen Vertiefung 20 des Hubrings dichtend anzuliegen. Ähnlich wie in Fig. 7 ist wiederum ein Verbindungskanal 40 zwischen Druckraum 35 und einer Bohrung 43 im Hubring 1 vorgesehen. Von der Bohrung 43 fließt das Druckmittel über Kanal 42 zum Druckraum 10 des Kolbens 32.
Zusammenfassend sei nochmals darauf hingewiesen, daß das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 insofern nachteilig ist, als während des Verstellvorgangs eine hohe Reibung zwischen dem starren Stellkolben und dem an diesem entlanggleitenden Hubring 1 auftritt. Dies führt zu Hysterese der Kennlinie und dadurch zu einer Verminderung der Stabilitätsreserve. Es ist eine Grundaufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Nachteile zu vermeiden. Zur Lösung dieser Grundaufgabe dienen insbesondere die Konstruktionen gemäß den Fig. 3-8. Wie die Ausführungsbeispiele zeigen, sieht die Erfindung ganz allgemein eine direktbetätigte druckgeregelte Flügelzellenpumpe mit einem vom Pumpendruck beaufschagten Stellkolben vor, bei welchem entweder eine gelenkige Verbindung zwischen Stellkolben und Hubring vorgesehen ist oder aber der Stellkolben selbst gelenkig ausgebildet ist.

Claims

1. Direktbetätigte, druckgeregelte Flügelzellenpumpe (101) mit einem Gehäuse (11), in dem ein Hubring (1) angeordnet ist, in dessen Innerem ein die Flügel (16) tragender Rotor (12) drehbar vorgesehen ist,
mit sich im Gehäuse abstützenden Federmitteln (2), die am Hubring ( 1) angreifen und bestrebt sind, diesen in seine zum Rotor (12) exzentrische Ausgangslage zu drücken,
und mit einem am Hubring (1) anliegenden, der Kraft der Federmittel (2) diametral entgegenwirkenden vom Pumpendruck beaufschlagten Stellkolben (3, 30, 31, 32), dadurch gekennzeichnet, daß das Nutbild der Pumpe (101) derart gewählt ist, daß die vom Systemdruck auf die Innenlauffläche des Hubrings (1) ausgeübte Kraft (F) mit ihrer entgegen den Federmitteln (2) wirkenden Horizontalkomponente (F 1) einen Winkel α nahe 90° bildet,
daß die Kraft (F _F) der Federmittel wesentlich größer ist als eine Störkraft (F _St), die hauptsächlich durch die Vorverdichtung im Umsteuerbereich entsteht und bestimmt ist,
und daß der Stellkolben (3, 30, 31, 32) über reibungsmindernde Mittel (5, 9) am Hubring (1) abgestützt ist.

2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraft (F _F) der Federmittel (2) in der Größenordnung des Sechzigfachen der Störkraft (F _St) liegt.

3. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als reibungsminderndes Mittel ein gelenkiges Zwischenstück (Gelenkstück) (5) zwischen dem eigentlichen Kolben (33) und dem Hubring (1) eingebaut ist.

4. Pumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenstück (5) in einer konischen Bohrung (23) des eigentlichen Kolbens (33) sitzt, wobei die Bohrung in einer kegelförmigen Lagerfläche (21) endet, auf der das beidseitig abgerundete stiftförmig ausgebildete Zwischenstück (4) mit seinem Ende aufliegt, während das andere abgerundete Ende des Zwischenstücks (5) an einer ebenfalls kegelförmigen Lagerfläche (22) ausgebildet im Hubring (1) aufliegt (Fig. 3).

5. Pumpe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellkolben (3) durch eine Feder (7) in Richtung zur Anlage am Hubring (1) belastet ist.

6. Pumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (7) im Druckraum (10) angeordnet ist und das Gelenkstück (5) dauernd eingespannt hält.

7. Pumpe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Arretierung (6) für den Hubring (1) vorgesehen ist.

8. Pumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Arretierung (6) zusammen mit einer Höheneinstellschraube ausgebildet ist.

9. Pumpe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellkolben ( 3) gegenüber der Querachse (14) der Pumpe um einen Abstand (17) versetzt ist (Fig. 4).

10. Pumpe nach einem oder mehreren der vorhergehenden An -sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellkolben in der Form eines kugelförmigen Kolbens (30) ausgebildet ist (Fig. 5).

11. Pumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der kugelförmige Kolben (30) einstückig ausgebildet ist und mit einem verjüngten Ende auf einer kegelförmigen Lagerfläche (21) des Hubrings liegt, während das andere Ende des Stellkolbens im Druckraum (10) geführt ist, wobei die Abdichtung gegenüber der Bohrung (36) des Stellkolbens (30) durch eine Spaltdichtung oder einen Kolbenring (8) oder eine elastische Dichtung erfolgt (Fig. 5).

12. Pumpe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als reibungsmindernde Mittel zwischen dem Stellkolben (31) und dem Hubring (1) ein hydrostatisches Druckfeld (9) vorgesehen ist (Fig. 6).

13. Pumpe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß dem hydrostatischen Druckfeld (9) unter Systemdruck stehendes Öl über einen Kanal (42) im Kolben (31) zugeführt wird.

14. Pumpe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (42) den Druckraum (10) mit einer am hubringseitigen Ende des Kolbens (31) ausgebildeten Ausnehmung (41) verbindet, wobei eine Leitung (4) den Druckraum (35) der Pumpe mit dem Druckraum (10) des Kolbens (31) verbindet (Fig. 6).

15. Pumpe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung des System- oder Pumpendrucks zum hydrostatischen Druckfeld (9) mittels eines Verbindungskanals (40) im Hubring (1) erfolgt, wobei der Verbindungskanal (40) einerseits mit dem Druckraum (35) der Pumpe und andererseits mit dem Druckfeld (9) in Verbindung steht, und wobei ferner ein Kanal (42) im Stellkolben (31) das Drucköl dem Druckraum (10) des Stellkolbens zuleitet (Fig. 7).

16. Pumpe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellkolben (32) an seiner Kontaktstelle (19) zum Hubring (1) sphärisch ausgebildet ist und an einer kegeligen oder sphärischen Vertiefung (20) des Hubrings dichtend anliegt (Fig. 8).