DE3439209A1

DE3439209A1 - Radialkolbenmaschine, insbesondere kugelkolbenpumpe

Info

Publication number: DE3439209A1
Application number: DE19843439209
Authority: DE
Inventors: Ludwig 6000 Frankfurt Budecker; Bernd 6230 Frankfurt Reimann; Wolfram Dr. 6100 Darmstadt Seibert
Original assignee: Alfred Teves GmbH
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 1984-10-26
Filing date: 1984-10-26
Publication date: 1986-04-30
Also published as: DE3439209C2; JPH0792049B2; JPS61104167A

Description

ALFRED TEVHIS GMBH P 5672

Radialkolbenmaschine, insbesondere Kugelkolbenpumpe

Die Erfindung bezieht sich auf eine Radialkolbenmaschine, insbesondere Kugelkolbenpumpe, mit zumindest einem in einer Zylinderbohrung eines relativ zu einem mit Zu- und Abflußkanälen versehenen Steuerzapfen drehbaren Zylinderkörpers gleitend geführten Kugelkolben, der eine an einer Hubkurve abrollbare Kugel und eine Hülse aufweist, die ein erstes Element und ein zweites, gegen die Kugel anlegbares Element aus einem Material mit kleinem Reibbeiwert umfaßt.

Eine derartige Radialkolbenmaschine ist aus der DE-OS 31 21 531 bekannt. Der Kugelkolben dieser Radialkolbenmaschine weist eine Kugel, die an einer Hubkurve abrollbar ist und eine gegen die Kugel anlegbare Hülse auf. Die Hülse besteht aus einem ersten Element, das in der Zylinderbohrung des Rotors gleitend geführt ist und aus einem zweiten Element, das in eine zylindrische Ausnehmung der Stirnfläche des ersten Elements eingesetzt ist und das die Anlagefläche für die Kugel aufweist. Das zweite Element ist aus einem reibungsarmen Material gefertigt, während das erste Element aus einem Material großen spezifischen Gewichts besteht, so daß durch diese Ausbildung einerseits ein günstiges Gleitverhalten der Kugel an der Hülse und andererseits ein durch die Fliehkraft des ersten Elements unterstütztes Aneinanderliegen von Kugel und Hülse bzw. ein Anliegen des Kugelkolbens an der Hubkurve sichergestellt wird. Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei einem aus Stahl bestehenden ersten Element unter bestimmten ungünstigen Betriebsbedingungen, beispielsweise bei schlechten Schraiereigenschaf ten des zu fördernden Mediums und bei hoher Belastung ein nicht zu

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vernachlässigender Verschleiß, verbunden mit einer Aufweitung von Teilen des ersten Elements, eintreten kann, was zu einer Schwergängigkeit bzw. zu einem Klemmen des Kugelkolbens führen kann.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Radialkolbenmaschine der eingangs genannten Art, die bei einfachem Aufbau und sicherer Funktionsweise einen guten Wirkungsgrad selbst bei hohen Drücken und/oder geringen Viskositäten bzw. schlechten Schmiereigenschaften des Betriebsmediums aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das zweite Element in der Zylinderbohrung gleitend geführt ist. Das erste Element ist entfernt von der Wandung der Zylinderbohrung angeordnet, so daß die Materialauswahl für dieses Element durch Nichtberücksichtigung des Reibbeiwertes erleichtert wird. Selbst bei einer Aufweitung der Hülse berührt lediglich das zweite Element aus dem reibungsarmen Werkstoff die Wandung der Zylinderbohrung, so daß der mechanische Wirkungsgrad im wesentlichen unverändert bleibt. Da die Kugel sich bei Verschleiß an dor Anlagefläche nicht gegen radial nahezu auf ihrem Durchmesser liegende Bereiche des ersten Elements anlegen kann, ist die Gefahr des Blockierens der Gleitbewegung der Kugel an der Hülse vermindert.

Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Material des ersten und/oder des zweiten Elements einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, der größer ist als der des die Hülse umschließenden Zylinderkörpers. Bei hohen Betriebstemperaturen und entsprechend geringer Viskosität des Betriebsmediums wird die Spaltabdichtung zwischen

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Hülse und Zylinderkörper sichergestellt und der volumetrische Wirkungsgrad wird selbst dann verbessert, wenn das Betriebsmedium eine geringe Viskosität aufweist.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß am radial inneren Ende des zweiten Elements eine Dichtlippe angeformt ist. Der Druck des Betriebsmediums erweitert die elastische Dichtlippe in Radialrichtung des Hülsenelements und verbessert die Anlage der Dichtlippe an der Wandung der Zylinderbohrung, wodurch eine gute Abdichtung zwischen Kugelkolben und Zylinderbohrung hergestellt wird, ohne daß die Verschiebbarkeit des Kugelkolbens wesentlich beeinträchtigt wird.

Eine Ausführungsform, bei der die der Kugel zugeordnete Anlagefläche des zweiten Elements als teilkugelförmige Vertiefung ausgebildet ist, ist aufgrund der sich einstellenden geringen Flächenpressung besonders vorteilhaft.

Weiter ist vorgesehen, daß die Hülse eine mittige Durchgangsöffnung aufweist, von der zumindest ein Druckmittelkanal bis zu dem als Abdichtung ausgebildeten und radial außenliegenden Bereich der Anlagefläche führt. Im Betrieb wird die Kugel auf einem großen Kugelabschnitt direkt durch den Druck des Betriebsmediums beaufschlagt und die mechanische Berührung zwischen Kugel und Hülse entlastet, was zu einer Reduzierung der Gleitreibung zwischen Kugel und Hülse führt, ohne daß die Dichtwirkung nennenswert beeinträchtigt wird. Weiter wird durch die mittige Durchgangsöffnung das Betriebsverhalten bei sich ändernder Viskosität des Hydraulikxiiediums verbessert. Bei niedrigen Temperaturen und entsprechend hoher Viskosität sorgt die Kugel überwiegend für die Förderung des Mediums; die

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Bewegung der Kugel kann dabei sogar unabhängig von der Bewegung der Hülse erfolgen. Bei hohen Temperaturen und entsprechend niedriger Viskosität des Mediums überwiegt die Abdichtung der Hülse.

Eine Weiterbildung sieht vor, daß eine Ringnut in der Anlageflache über nur einen Druckmittelkanal mit der Durchgangsöffnung in Verbindung steht. Durch diese Art der Druckentlastung wird eine große Anlagefläche zwischen Kugel und Hülse sichergestellt.

Ferner ist vorgesehen, daß die axiale Länge des zweiten Elements größer ist als die des ersten Elements, so daß eine hohe Flächen- bzw. Spaltabdichtung zwischen Kugelkolben und Rotor bei guter Gleitbeweglichkeit sichergestellt ist.

Es ist ferner vorgesehen, daß das erste Element sich bis zur Kugelmantelfläche erstreckt.

Zweckmäßigerweise sind am Außenumfang des ersten Elements und am Innenumfang des zweiten Elements Vorsprünge vorgesehen, mittels derer die axiale Lage der Elemente zueinander auf einfache Weise fixierbar ist.

Weiter ist vorgesehen, daß das erste Element aus einem metallischen Werkstoff großen spezifischen Gewichts besteht.

Besonders vorteilhaft ist eine Ausfuhrungsform der Erfindung, bei der das erste Element aus Stahl und das zweite Element aus einem Polytetrafluoräthylen-Verbundwerkstoff besteht. Auf einfachste Weise wird so das Abrollen der Kugel auf dem Hubring sichergestellt, sofern das antrei-

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bende Moment (Reibung an der Hubkurve) größer ist als das Bremsmoment (Reibung der Kugel an der Zylinderbohrungswand und an der Anlagefläche des Hülsenelements). Gleichzeitig werden günstige Reibverhältnisse zwischen dem zweiten Element und der Zylinderbohrung erreicht.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben; es zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt einer erfindungsgemäßen Kugelkolbenpumpe,

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

Fig. 3 eine Darstellung eines Kugelkolbens der ' Pumpe nach Fig. 1 in einem größeren Maßstab,

Fig. 4 bis 6 weitere Ausführungsformen eines

Kugelkolbens der Pumpe nach Fig. 1 in

größerem Maßstab.

Die Kugelkolbenpumpe umfaßt ein auf der einen Stirnseite geschlossenes topfartiges Gehäuse 18 mit einem Sauganschluß 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 18 abgestützt ist, um einen geräuscharmen Betrieb der Pumpe zu ermöglichen. Die Rotor-Stator-Einheit wird abgesehen von den

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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 drehfest 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, radial verlaufende Zylinderbohrung 30 ausgebildet, in der diametral gegenüberliegend radial verschieblich jeweils eine Hülse 3 und eine Kugel 9 umfassende Kugelkolben 11 angeordnet sind, deren radial außen angeordnete Kugeln 9 an einer exzentrisch angeordneten Hubkurve eines Hubrings abrollen, der am äußeren Stator 4 axial verschiebbar gelagert ist.

Zwischen Rotor 1 und Hubring 10 bzw. Stator 4 ist ein Arbeitsraum 21 für eine Pumpvorstufe zur Erzeugung einer Aufladung des Hydraulikraediums ausgebildet, der durch die

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über die Rotorumfangsfläche hinausragenden Kugelkolben unterteilt ist.

Beim Betrieb der Kugelkolbenpumpe wird Hydraulikmedium bei einer Drehung des Rotors 1 durch den äußeren Saugan--Dchluß 16 über die Saugseite 7 der Vorstufe der Pumpe angesaugt, längs des Umfangs des Arbeitsraumes 21 (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 10 gedrängt. Im Betrieb der Anordnung wird der Rotor 1 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 Zylinderbohrung 30 des Rotors 1 ist ein Kugelkolben 11 angeordnet, der in größerem Maßstab in den Figuren 3 bis 6 schematisch dargestellt ist. Der Kugelkolben 11 besteht aus einer äußeren Kugel 9 und einer inneren axxalsymraetrischen Hülse 3 mit einer zentralen Durchgangsörfnung 14. Das radial äußere Ende der Hülse 3 nimmt pfannenartig die Kugel 9 auf.

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Das bezüglich der Pumpenachse radial innere Umfangsende der Hülse 3 begrenzt einen Teil des Arbeitsraumes und ist als Dichtlippe 20 mit vorgegebener Elastizität zur Zylinderbohrung 30 des Rotors 1 ausgebildet. Der Durchmesser D, der Zylinderbohrung 30 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 D^ der Hülse.

Im Betrieb der Kugelkolbenpumpe steht der Arbeitsraum unter dem Druck des Betriebsmediums. Bei geringen Drücken und/oder hohen Viskositäten (niedrige Temperaturen) genügt primär die Dichtwirkung zwischen Kugeldurchmesser D₂ und Durchmesser der Zylinderbohrung D,. Bei höheren Drücken wird die Dichtlippe 20 des Kolbens in Umfangsrichtung erweitert, so daß die Abdichtung zwischen Hülse 3 und Zylinderbohrung 30 verbessert wird.

Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Hülsenmaterials ist größer als der des die Hülse 3 umgebenden Rotors 1. Dadurch wird bei höheren Temperaturen der Spalt zwischen D₁ und Dj verringert und der volumetrische Wirkungsgrad der Pumpe verbessert.

Die in Fig. 3 dargestellte Hülse weist eine erstes Element 32 und zweite Element 31 auf, die beide im wesentlich hohlzylinderförmig ausgebildet sind. Das an der Zylinderbohrung 30 gleitende zweite Element 31 weist an seiner der Kugel 9 zugewandte Stirnfläche eine teilkugelförmig ausgebildete Anlagefläche 33 auf, deren Durchmesser dem Durchmesser der Kugel 9 entspricht. Die

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Bohrung 36 des zweiten Elements 31 weist an dem an der anderen Stirnfläche liegenden Ende eine Fase auf, durch die zusammen mit einem Bereich der Außenumfangsfläche eine Dichtlippe 20 gebildet ist. Die Bohrung 36 ist mit axial beabstandeten ringbundförmigen Vorsprüngen 37 versehen, durch die Anschläge in Richtung Kugel 9 für das erste Element 32 gebildet sind. Die Vorsprünge 37 weisen dazu an ihren der Anlagefläche 33 zugewandten Enden den Durchmesser der Bohrung 36 und an ihren anderen Enden einen kleineren Öffnungsdurchmesser auf und wirken mit in gleichem axialen Abstand angeordneten Ringnuten 38 in der Außenumfangsfläche der ersten Hülse 32 zusammen. An seinem im zusammengesetzten Zustand der Dichtlippe 20 zugewandten Ende hat das erste Element 32 eine Fase am Außenumfang, so daß es, unter Aufweitung des zweiten Elements 31, von der Seite der Anlagefläche 33 her in das zweite Element 31 einschiebbar ist. In dem in Fig. 3 dargestellten Zustand sind die ringbundförmigen Vorsprünge 37 des zweiten Elements 31 in die Ringnuten 38 des ersten Elements 32 eingeschnappt. An der der Kugel 9 zugewandten Stirnfläche hat das erste Element 32 eine Vertiefung, durch die ein ringförmiger, bis zur Kugelmantelfläche reichender Rand gebildet ist, der innen mit einer Anfasung versehen ist. Durch die die Durchgangsöffnung 14 bildenden Bohrungen im ersten Element 32 und im zweiten Element 31 wird das Betriebsmedium bis zur Kugelmantelfläche geführt.

Die in Fig. 4 dargestellte Hülse 3 entspricht bis auf den der Dichtlippe 20 benachbarten Bereich der in Fig. 3 dargestellten Hülse. In diesem Bereich weist das zweite Element 31 eine Verengung des Öffnungsquerschnitts der Bohrung bis auf den Durchmesser der Bohrung des ersten Elements 32 auf; sie verläuft, ausgehend von der Anlage-

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flache 33, von einem Bereich größeren Durchmessers über eine geneigt verlaufende Fläche 40 zu einem Bereich kleineren Durchmessers. An der geneigten Fläche 40 des zweiten Elements 31 liegt das erste Element 32 mit einer ringförmig verlaufenden Kante 41 an, die durch eine Anfasung der Stirnfläche des ersten Elements 32 gebildet ist. Über die Bohrungen im ersten 32 und zweiten Element

31 wird das Betriebsmedium bis zur Kugelmantelfläche geführt .

Bei der Ausführungsform der Hülse 3 nach Fig. 5 ist das erste Element 32 im wesentlichen topfförmig ausgebildet; die Bodenfläche 50 verläuft jedoch konisch nach außen und ist mit einer mittigen Öffnung 51 versehen. Das erste Element 32 ist in eine entsprechend ausgebildete Stufenbohrung in dem zweiten Element 31 eingesetzt; die Bohrung des zweiten Elements 31 weist an ihrem der Dichtlippe 20 benachbarten Ende einen dem Durchmesser der Bodenöffnung des ersten Elements 32 entsprechenden Durchmesser auf. An seinem dem Boden abgewandten Ende weist das erste Element

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32 über die ringförmige Stirnfläche verlaufende Ausneh-

t». mungen auf, die Kanäle 52 für das Betriebsmedium bilden. Diese Kanäle stehen mit einem Ringkanal 53 in Verbindung, der zwischen der Mantelfläche der Kugel 9 und einem Stirnflächenabschnitt des zweiten Elements 31 verläuft und der an dein radial inneren Durchmesser D₄ des Dichtbereichs 35 der Anlagefläche 33 endet. Bei Anlage der Dichtlippe 20 an der Wandung der Zylinderbohrung 30 und Anlage der Kugel 9 an der Hülse 3 wird die Hülse 3 mit einer Kraft, die sich aus dem Druck auf die Fläche F = 2 2

(D₁-D₄) . If/4 ergibt, gegen die Kugel 9 gedrückt.

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Eine andere Ausbildung der Druckentlastung ist in Fig. dargestellt. Die Anlagefläche 33 ist mit einer Ringnut versehen, die über einen Druckmittelkanal 63 zwischen Kugelmantelfläche und Stirnfläche des zweiten Elements mit einem Druckmittelkanal 62 in der Stirnfläche des ersten Elements 32 und mit der Durchgarigsöffnung 14 der Hülse 3 in Verbindung steht. —

Claims

ALFRED TEVSS GMBH 12. Oktober 1984 Frankfurt am Main ZL/br/be P 5672 / 1404P L. Budecker - 60 Dr. W. Seibert - 11 B. Reimann - 1 Patentansprüche

1. Radialkolbenmaschine, insbesondere Kugelkolbenpumpe, mit zumindest einem in einer Zylinderbohrung eines relativ zu einem mit Zu- und Abflußkanälen versehenen Steuerzapfen drehbaren Zylinderkörpers gleitend geführten Kugelkolben, der eine an einer Hubkurve abrollbare Kugel und eine Hülse aufweist, die ein erstes Element und ein zweites, gegen die Kugel anlegbares Element aus einem Material mit kleinem Reibbeiwert umfaßt, dadurch

gekennzeichnet, daß das zweite Element (31) in der Zylinderbohrung (30) gleitend geführt ist.

2. Radialkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des ersten (32) und/oder des zweiten Elements (31) einen thermischen Ausdehnungkoeffizienten besitzt, der größer ist als der des die Hülse (3) umschließenden Zylinderkörpers (Rotor 1).

3. Radialkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß am radial inneren Ende des zweiten Elements (31) eine Dicht!ippe (20) angeformt ist.

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4. Radialkolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die der Kugel (9) zugeordnete Anlagefläche (33) des zweiten Elements (31) als teilkugelförmige Vertiefung ausgebildet ist,

5. Radialkolbenmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (3) eine mittige Durchgangsöffnung (14) aufweist, von der zumindest ein Druckmittelkanal (34) bis zu dem als Abdichtung ausgebildeten und radial außenliegenden Bereich (35) der Anlagefläche (33) führt.

6. Radialkolbenmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennze i chnet, daß eine Ringnut (34) in der Anlagefläche {33) über nur einen Druckmittelkanal mit der Durchgangsöffnung (14) in Verbindung steht.

7. Radialkolbenmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge des zweiten Elements (31) größer ist als die des ersten Elements (32).

8. Radialkolbenmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Element (32) sich bis zur Kugelmantelfläche erstreckt.

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9. Radialkolbenmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzei chnet, daß am Außenumfang des ersten Elements (32) und am Innenumfang des zweiten Elements (31) Vorsprünge vorgesehen sind, mittels derer die axiale Lage der Elemente (31,32) zueinander fixierbar ist.

10. Radialkolbenmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Element (32) aus einem metallischen Werkstoff großen spezifischen Gewichts besteht.

11. Radialkolbenmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Element (32) aus Stahl und das zweite Element (31) aus einem Polytetrafluoräthylen-Verbundwerkstoff besteht.