DE3439209C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Radialkolbenmaschine der sich aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ergebenden Gattung.

Eine derartige Radialkolbenmaschine ist aus der DE-OS 31 21 531 bekannt.

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

Die Erfindung wird durch die sich aus dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 ergebende Merkmalskombination gelöst. Im Prinzip besteht die Erfindung also darin, die einander zugewandten Flächen des ersten und zweiten Elements durch Formschluß gegeneinander zu fixieren. Hierdurch wird auch bei stark unterschiedlichen Temperaturen des Kolbenelements die Verbindung der beiden Elemente sicher gewährleistet.

Eine besonders günstige Kombination der Werkstoffe der beiden Elemente ist durch die Merkmalskombination nach Anspruch 2 gegeben. Dabei sorgt zum einen der metallische Werkstoff für eine gute Gleitfähigkeit der ggf. auf ihm auf sitzenden Kugel, während der elastische Werkstoff sich nicht nur zur preiswerten Bildung der Hinterschneidungen eignet, sondern darüber hinaus auch noch aufgrund seiner Elastizität zu einem verbesserten Gleit- und Dichtverhalten beiträgt.

Ein besonders geeigneter Werkstoff für das zweite Element ergibt sich aus der Merkmalskombination nach Anspruch 3.

Durch Anwendung der Merkmalskombination nach Anspruch 4 läßt sich eine verbesserte Dichtwirkung durch das zweite Element erreichen.

In Weiterbildung der Erfindung sorgt die Merkmalskombination nach Anspruch 5 für eine Verminderung des zwischen Kugel und Kolbenelement ausgeübten Drucks und bewirkt eine erhöhte Fördermenge, auch für den Fall, daß bei niedrigen Temperaturen die schwerere Kugel sich von dem Kolbenelement entfernt und somit über die Durchgangsöffnung Druckmittel zu fördern in der Lage ist.

Eine weitere Verbesserung in dieser Hinsicht läßt sich durch Anwendung der Merkmalskombination nach Anspruch 6 erreichen.

Um das Dichtverhalten des Kolbenelements zu verbessern, empfiehlt sich in Verbesserung der Erfindung die Anwendung der Merkmalskombination nach Anspruch 7. Dabei kann, insbesondere bei erhöhtem Druck, die Kugel gemäß Anspruch 8 auf dem ersten Element aufsitzen.

Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist Vorgesehen, daß das Material des ersten und/oder des zweiten Elements einen thermischen Ausdeh­ nungskoeffizienten besitzt, der größer ist als der des die Hülse umschließenden Zylinderkörpers. Bei hohen Betriebstemperaturen und entsprechend geringer Viskosität des Betriebsmediums wird die Spaltabdichtung zwischen Hülse und Zylinderkörper sichergestellt und der volume­ trische 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 ange­ formt ist. Der Druck des Betriebsmediums erweitert die elastische Dichtlippe in Radialrichtung des Hülsenele­ ments 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 vor­ teilhaft.

Weiter ist vorgesehen, daß die Hülse eine mittige Durch­ gangsöffnung aufweist, von der zumindest ein Druckmittel­ kanal 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 Durch­ gangsöffnung 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 die Abdichtung der Hülse.

Eine Weiterbildung sieht vor, daß eine Ringnut in der Anlagefläche 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.

Weiter ist vorgesehen, daß das erste Element als einem metallischen Werkstoff großen spezifischen Gewichts be­ steht.

Besonders Vorteilhaft ist eine Ausführungsform der Erfin­ dung, 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 bende Moment (Reibung an der Hubkurve) größer ist als das Bremsmoment (Reibung der Kugel an der Zylinderbohrungs­ wand und an der Anlagefläche des Hülsenelements). Gleich­ zeitig werden günstige Reibverhältnisse zwischen dem zweiten Element und der Zylinderbohrung erreicht.

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 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 Saugan­ schluß 16 und einem Druckanschluß 17 auf dem Gehäuse­ umfang.

Im Inneren des Gehäuses 18 befindet sich eine Rotor- Stator-Einheit, die über elastische abdichtende Stütz­ körper 5 in Form von O-Ringen am Gehäuse 18 abgestützt ist, uni einen geräuscharmen Betrieb der Pumpe zu ermög­ lichen. Die Rotor-Stator-Einheit wird abgesehen von 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 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 ver­ bunden, 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 dia­ metral gegenüberliegend radial verschieblich jeweils eine Hülse 3 und eine Kugel 9 umfassende Kugelkolben 11 ange­ ordnet sind, deren radial außen angeordnete Kugeln 9 an einer exzentrisch angeordneten Hubkurve eines Hubrings 10 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 Hydraulikmediums ausgebildet, der durch die über die Rotorumfangsfläche hinausragenden Kugelkolben 11 unterteilt ist.

Beim Betrieb der Kugelkolbenpumpe wird Hydraulikmedium bei einer Drehung des Motors 1 durch den äußeren Saugan­ schluß 16 Ober die Saugseite 7 der Vorstufe der Pumpe an­ gesaugt, 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 Druck­ raum 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 Anord­ nung 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 Kugel­ kolben 11 angeordnet, der in größerem Maßstab in den Fig. 3 bis 6 schematisch dargestellt ist. Der Kugel­ kolben 11 besteht aus einer äußeren Kugel 9 und einer inneren axialsymmetrischen Hülse 3 mit einer zentralen Durchgangsöffnung 14. Das radial äußere Ende der Hülse 3 nimmt pfannenartig die Kugel 9 auf.

Das bezüglich der Pumpenachse radial innere Umfangsende der Hülse 3 begrenzt einen Teil des Arbeitsraumes und ist als Dichtlippe 20 mit vorgegebener Elastizität zur Zylin­ derbohrung 30 des Rotors 1 ausgebildet. Der Durchmesser D₁ der Zylinderbohrung 30 ist geringfügig größer als der Außendurchmesser D₃ der Hülse 3, so daß der Außen­ mantel der Hülse 3 außerhalb des Bereichs der Dichtlippe 20 eine Spaltabdichtung zum Rotor 1 schafft. Der Kugel­ durchmesser D₂ entspricht etwa dem Außendurchmesser D₃ der Hülse.

Im Betrieb der Kugelkolbenpumpe steht der Arbeitsraum unter dem Druck des Betriebsmediums. Bei geringen Drücken und/oder hohen Viskositäten (niedrige Temperaturen) ge­ nügt primär die Dichtwirkung zwischen Kugeldurchmesser D₂ und Durchmesser der Zylinderbohrung D₁. Bei höhe­ ren Drücken wird die Dichtlippe 20 des Kolbens in Um­ fangsrichtung 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 höhere Temperaturen der Spalt zwischen D₁ und D₃ verringert und der volumetrische Wirkungs­ grad der Pumpe verbessert.

Die in Fig. 3 dargestellte Hülse weist ein erstes Ele­ ment 32 und ein zweites Element 31 auf, die beide im wesent­ lichen hohlzylinderförmig ausgebildet sind. Das an der Zylinderbohrung 30 gleitende zweite Element 31 weist an seiner der Kugel 9 zugewandten Stirnfläche eine teilkugel­ förmig ausgebildete Anlagefläche 33 auf, deren Durch­ messer dem Durchmesser der Kugel 9 entspricht. Die 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 ver­ sehen, 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 sei­ nem im zusammengesetzten Zustand der Dichtlippe 20 zuge­ wandten Ende hat das erste Element 32 eine Fase am Außenumfang, so daß es, unter Aufweitung des zweiten Ele­ ments 31, von der Seite der Anlagefläche 33 her in das Zweite Element 31 einschiebbar ist. In dem in Fig. 3 dar­ gestellten 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 Anfa­ sung versehen ist. Durch die die Durchgangsöffnung 14 bildenden Bohrungen im ersten Element 32 und im zweiten Element 31 wird das Betriebsmedium bis zur Kugelmantel­ fläche geführt.

Die in Fig. 4 dargestellte Hülse 3 entspricht bis auf den der Dichtlippe 20 benachbarten Bereich der in Fig. 3 dar­ gestellten Hülse. In diesem Bereich weist das zweite Ele­ ment 31 eine Verengung des Öffnungsquerschnitts der Boh­ rung bis auf den Durchmesser der Bohrung des ersten Ele­ ments 32 auf; sie verläuft, ausgehend von der Anlage­ fläche 33, von einem Bereich größeren Durchmessers über eine geneigt verlaufende Fläche 40 zu einem Bereich klei­ neren Durchmessers. An der geneigten Fläche 40 des zwei­ ten Elements 31 liegt das erste Element 32 mit einer ringförmig verlaufenden Kante 41 an, die durch eine An­ fasung der Stirnfläche des ersten Elements 32 gebildet ist. Über die Bohrungen im ersten 32 und zweiten Element 31 wird das Betriebsmedium bis zur Kugelmantelfläche ge­ führt.

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 Stufen­ bohrung 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 32 über die ringförmige Stirnfläche verlaufende Ausneh­ 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 dem radial inneren Durchmesser D₄ des Dicht­ bereichs 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 dein Druck auf die Fläche F = (D²₁-D²₄·π/4 ergibt, gegen die Kugel 9 gedrückt.

Eine andere Ausbildung der Druckentlastung ist in Fig. 6 dargestellt. Die Anlagefläche 33 ist mit einer Ringnut 64 versehen, die über einen Druckmittelkanal 63 zwischen Kugelmantelfläche und Stirnfläche des zweiten Elements 31 mit einem Druckmittelkanal 62 in der Stirnfläche des ersten Elements 32 und mit der Durchgangsöffnung 14 der Hülse 3 in Verbindung steht.

Claims (10)

1. Radialkolbenmaschine, insbesondere Kugelkolbenpumpe, 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 Abfußkanälen versehenen Steuerzapfen drehbaren Rotors gleitet, wobei die Kugel mit ihrer Mantelfläche unmittelbar in der Radialbohrung geführt ist, und das Kolbenelement aus zwei aus abweichenden Materialien bestehenden Elementen gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß an den einander zugewandten Flächen des ersten Elements (32) und des zweiten Elements (3) Vorsprünge (37) bzw. diesen zugeordnete Ausnehmungen (38) vorgesehen sind, mittels derer die axiale Lage der Elemente (31, 32) zueinander fixierbar ist.

2. Radialkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das erste der beiden Ele­ mente (32) aus einem metallischen Werkstoff großen spe­ zifischen Gewichts, insbesondere Stahl, besteht.

3. Radialkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das das zweite Element (31) aus einem Polytetrafluoräthylen-Verbundwerkstoff besteht.

4. Radialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 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 vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, 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 5, dadurch ge­ kennzeichnet, 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 vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die axiale Länge des zweiten Elements (31) größer ist als die des ersten Elements (32).

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

9. Radialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, 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 Zylinder­ körpers (Rotor 1).

10. Radialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß am radial in­ neren Ende des zweiten Elements (31) eine Dichtlippe (20) angeformt ist.