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Hydraulische Pumpe
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Beschreibung: Die Erfindung betrifft eine hydraulische Pumpe mit einem
Kolben, der in einem Zylinder drehbar sowie axial verschiebbar angeordnet ist und
der einen Kanal zur drehrichtungsabhängigen Verbindung des Arbeitsraums des Zylinders
mit in der Zylinderwand vorgesehenen Durchlässen jeweils für die auszusaugende und
auszustoßende Flüssigkeit aufweist.
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Eine derartige hydraulische Pumpe ist bereits bekannt (Kraftfahrzeugtechnisches
Taschenbuch, 18. Auflage, 1976, Herausgeber Bosch, Seiten 296, 297, 298). Die bekannte
Pumpe, die zur Einspritzung des Kraftstoffs in Diesel-Motoren verwendet wird, hat
eine mit Stirnnocken versehene Hubscheibe, die sich auf vier Rollen abstützt, die
radial in einem Rollenring gelagert sind. Entsprechend der Anzahl der Stirnnocken
wird der Kolben der Pumpe während der Drehung in Hubbewegungen versetzt. Der Rücklauf
des Kolbens wird durch eine Stößelfeder hervorgerufen, die eine kraftschlüssige
Verbindung zwischen dem Kolben, der Hubscheibe und den Rollen bewirkt. Der Kolben,
der zugleich als Verteiler arbeitet, fördert in mehrere am Umfang des Zylinders
verteilte Druckauslässe Kraftstoff zu den je mit einem Druckauslaß verbundenen Einspritzdüsen
der Zylinder
des Diesel-Motors.
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Zur Betätigung hydraulischer Stellglieder werden Pumpen benötigt,
die Flüssigkeiten mit hohem Druck fördern. Hierfür werden u.a. Axialkolbenpumpen
verwendet, mit denen ein hydraulischer Volumenstrom mit hohem Druck erzeugt werden
kann.
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Axialkolbenpumpen werden in verschiedenen Bauarten ausgeführt.
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Bei einer bekannten Bauart sind mehrere Zylinder parallel zueinander
in gleichmäßigen Abständen längs eines Zylindermantels angeordnet, dessen Mittellinie
mit der Längsachse einer Antriebswelle zusammenfällt. Die Enden der in den Zylindern
hin- und herbewegbaren Kolben stützen sich auf einer Taumelscheibe ab, die formschlüssig
mit der Antriebswelle verbunden ist. Die nicht umlaufenden Kolben werden durch die
sich drehende Taumelscheibe in axiale Hubbewegungen versetzt.
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Bei der Axialkolbenpumpe in Schrägscheibenbauart liegen die Zylinder
ebenfalls parallel zueinander in gleichmäßigen Abständen auf einem Zylindermantel,
dessen Mittellinie mit der Drehachse einer Antriebswelle zusammenfällt. Die Zylinder
laufen mit der Antriebswelle um. Die Enden der Zylinderkolben stützen sich auf einer
feststehenden Schrägscheibe ab. Axialkolbenpumpen in Schrägachsenbauart enthalten
jeweils längs eines Zylindermantels in gleichmäßigen Abständen parallel zueinander
angeordnete Zylinder, wobei die Mittellinie des Zylindermantels in einem spitzen
Winkel gegenüber der Drehachse der Antriebswelle geneigt ist. Die Enden der Kolben
in den Zylindern stützen sich auf einer mit der Antriebswelle drehbaren Scheibe
ab. Die Zylinder drehen sich mit der Antriebswelle. Bei der Axialkolbenpumpe in
Taumelscheibenbauart ist ein federbelastetes, selbststeuerndes Saug- und Druckventil
vorhanden,
über das jeweils der Arbeitsraum mit einer Flüssigkeitsquelle bzw. mit dem Verbraucher
verbunden wird.
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Bei Axialkolbenpumpen in Schrägscheiben- oder Schrägachsenbauart bestehen
die Ein- und Auslaßsteuerungen je aus einem feststehenden und einem rotierenden
Teil (F. und D. Findeisen "Ölhydraulik", 3. Auflage, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg
New York 1978, Seiten 63 bis 68).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydraulische Pumpe
der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, daß mit einem Minimum an Verdränger-
und Steuerteilen ein hoher volumetrischer Wirkungsgrad erreicht werden kann.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Verbindungsglied
mit einem Ende am Kolben in Bezug auf die Längsachse des Kolbens außermittig und
mit dem anderen Ende ortsfest derart angelenkt ist, daß das Verbindungsglied bei
der Drehung des Kolbens längs einer dem Mantel eines Kegels entsprechenden Bahn
umläuft, wobei die Mittelachse des Kegels die Längsachse des Kolbens unter einem
Winkel $ schneidet. Die erfindungsgemäße Pumpe beruht auf dem Prinzip, den Kolben,
der als Verdrängerkolben arbeitet, zur Steuerung zu drehen und zur Verdrängung axial
zu verschieben. Die Mittel zur Drehung und zur axialen Bewegung des Kolbens sind
dabei formschlüssig miteinander verbunden.
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Bei einer derartigen Pumpe treten Spaltverluste nur zwischen zwei
relativ zueinander bewegten Körpern auf, so daß diese sehr gering sind. Ventilteile
und Federn, die insbesondere bei hohen und tiefen Temperaturen häufig Störungen
hervorrufen, entfallen. Insbesondere erübrigen sich zusätzlich zum Verdrängerkolben
notwendige Drehschieber-Steuerungen. Die erfindungsgemäße Pumpe arbeitet daher auch
bei extremen Klimaverhältnissen zuverlässig und mit hohem Wirkungsgrad.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind in einander gegenüberliegenden
Wandabschnitten des Zylinders jeweils der Durchlaß für die anzusaugende und der
Durchlaß für die aus zu stoßende Flüssigkeit angeordnet und während der Zunahme
des Volumens des Arbeitsraums ist der Kanal zumindest zeitweise mit dem Durchlaß
für die anzusaugende Flüssigkeit und während der Abnahme des Volumens des Arbeitsraums
der Kanal zumindest zeitweise mit dem Durchlaß für die auszustoßende Flüssigkeit
verbunden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist an dem aus dem Zylinder
herausragenden Ende des Kolbens ein Rad angeordnet, auf das ein Antriebsdrehmoment
ausgeübt wird, wobei außermittig am Rad das Ende einer Stange angelenkt ist, die
an ihrem anderen Ende in einem Lager drehbar ist, das exzentrisch zur Längsachse
des Kolbens an einem Gehäuse angeordnet ist.
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Wenn das Rad in Drehung versetzt wird, erzwingt die Stange während
jeder Drehung eine hin- und hergehende Bewegung des Kolbens. Der konstruktive Aufwand
für die axiale und rotatorische Bewegung des Kolbens ist daher gering.
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Vorzugsweise ist das am Ende des Kolbens angeordnete Rad als Zahnrad
ausgebildet, dessen Zähne in Zähne eines weiteren Zahnrads axial verschiebbar eingreifen.
Die Zähne des weiteren Zahnrads erstrecken sich dabei über eine Länge, die zumindest
der Hublänge des Kolbens entspricht.
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Zweckmäßigerweise ist das weitere Zahnrad formschlüssig mit einem
in Achsrichtung versetzten, zusätzlichen Zahnrad verbunden, dessen Zähne in das
Ritzel eines Elektromotors eingreifen. Über das aus den oben erwähnten Zahnrädern
bestehende Vorgelege wird der Kolben mit der gewünschten Drehzahl angetrieben.
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Bei einer besonders günstigen Ausführungsform der Erfindung weist
der Kolben mit dem Arbeitsraum des Zylinders verbundene Kanäle auf, die an der zylindrischen
Mantelfläche auf derjenigen Seite münden, die in Bezug auf die Längsachse des Kolbens
gegen die Angriffsstelle der Stange am Rad um 90O bzw.
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1800 versetzt sind. In der Druckphase wird über diese Kanäle auf die
Zylinderwand eine Kraft ausgeübt, die die von der Stange ausgehende einseitige Beanspruchung
zumindest teilweise kompensiert. Außerdem wird die Schmierung des Kolbens verbessert.
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Vorzugsweise ist die Stange an ihren Enden mit kugeligen Pfannen versehen,
in denen jeweils ein am Rad befestigter Kugelkopf und ein am Gehäuse befestigter
Kugelkopf gelagert sind. In den Pfannen und/oder den Kugelköpfen sind erfindungsgemäß
mit Druckflüssigkeit gefüllte Drucktaschen vorgesehen.
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Diese Drucktaschen sind über Bohrungen mit dem Druckraum der Pumpe
verbunden. Damit werden die Gelenke stets mit Druckflüssigkeit geschmiert.
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Die Stange besteht vorteilhafterweise aus zwei zur Längsachse symmetrischen
Hälften. Derartige Stangen sind kostengünstig herzustellen. Gemäß einer weiteren
Ausgestaltung des Erfindungsgedankens sind die Kugelköpfe auf Zapfen angeordnet,
die jeweils mit dem Rad und dem Gehäuse verbunden sind. Diese Teile lassen sich
ebenso wie die Zahnräder wirtschaftlich fertigen.
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Bei einer anderen zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung ist der
das Rad und die Stange enthaltende Raum im Gehäuse mit Schmiermittel gefüllt, wobei
der Kolben eine Dichtung aufweist. Die Dichtung verhindert, daß sich die Flüssigkeit
im Arbeitsraum des Zylinders mit dem Schmiermittel vermischt.
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Vorteilhafterweise kann der das Rad und die Stange enthaltende Raum
im Gehäuse über einen Kanal mit einer Ansaugleitung verbunden sein. Hierdurch wird
sichergestellt, daß eine hinreichende Menge an Schmiermittel verfügbar ist. Es ist
günstig, den Kanal im Kolben an seiner Mündungsstelle in der zylindrischen Wand
konisch zu erweitern. Damit wird über einen längeren Zeitraum innerhalb der jeweiligen
Dauer des Druck-bzw. Saughubes eine Verbindung zwischen der Ansaugleitung bzw.
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der Druckleitung hergestellt.
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Es ist möglich, mit einem Elektromotor nicht nur eine, sondern mehrere
hydraulische Pumpen über Zahnradvorgelege anzutreiben.
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Der Elektromotor wird hierbei in seiner Leistung an die Leistung der
Pumpen angepaßt. Wenn mehrere Pumpen durch einen Motor angetrieben werden, ist der
Aufwand gering.
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Eine hydraulische Pumpe der vorstehend beschriebenen Art eignet sich
gut für die Erzeugung von unter hohem Druck stehenden Volumenströmen bei Antiblockiersystemen
von Kraftfahrzeugen oder Flugzeugen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles
näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist.
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Es zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt durch eine von einem Elektromotor
angetriebene hydraulische Pumpe, Fig. 2 einen Schnitt längs der Linien I-I der in
Fig. 1 dargestellten Pumpe,
Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine
zur Erzeugung einer hin- und hergehenden Kolbenbewegung verwendeten Stange und mit
den Stangenenden verbundene Teile, Fig. 4 ein Steuerdiagramm der Kolbenbewegung.
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Eine hydraulische Pumpe 1 weist einen Kolben 2 auf, der in einem Zylinder
3 hin- und herbewegbar ist. Der Zylinder 3 besteht aus einer zylindrischen Buchse
4, deren eines Ende offen ist, während das andere Ende durch eine Schraube 5 verschlossen
ist. Etwa in der Mitte der Buchse 4 sind zwei diametral einander gegenüberliegende
Durchlässe 6, 7 vorgesehen. Bei den Durchlässen 6, 7 kann es sich um radial verlaufende
Bohrungen handeln. Die Buchse 4 ist in eine nicht näher bezeichnete zylindrische
Bohrung eines Gehäuses 8 eingefügt und z.B. durch einen Stift 9 gegen Verdrehung
gesichert. In Höhe der Durchlässe 6, 7 weist die Wand des Gehäuses 8 zwei Gewindebohrungen
10, 11 auf, deren Mittellinien mit den Längsachsen der Durchlässe 6, 7 übereinstimmen.
In die Gewindebohrung 10 ist eine Saugleitung 12 mit ihrem Ende flüssigkeitsdicht
eingeschraubt.
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Eine Druckleitung 13 ist mit ihrem Ende in die Gewindebohrung 11 flüssigkeitsdicht
eingeschraubt. Die Saugleitung 12 verläuft zu einem nicht dargestellten Behälter
für eine Flüssigkeit, z.B. Ö1. Die Druckleitung 13 führt z.B. zu einem Verbraucher,
etwa einem hydraulischen Stellzylinder.
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Im Inneren des Kolbens 2 ist ein Kanal 14 ausgebildet, der gegen die
Stirnseite 15 des Kolbens und gegen die Mitte des zylindrischen Mantels des Kolbens
2 hin offen ist. Der Kanal 14 umfaßt Bohrungen 14a und 16, wobei sich die erste
Bohrung 14a mit dem größeren Durchmesser über weniger als die Hälfte des Kolbens
2 erstreckt. Eine radiale Aussparung 17 verläuft von der zylindrischen Mantelfläche
des Kolbens 2 bis zu der
Bohrung 16. Die Aussparung 17 kann kegelstumpfförmig
ausgebildet sein. Die Stirnseite 15 des Zylinders 3 schließt mit der nicht näher
bezeichneten Stirnseite der Schraube 5 und der Innenwand der Buchse 4 einen Arbeitsraum
18 ein.
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Das aus dem Zylinder 3 herausragende Ende des Kolbens 2 trägt ein
Zahnrad 19, dessen Zähne in die Zähne eines weiteren Zahnrads 20 eingreifen, das
einen kleineren Durchmesser hat als das Zahnrad 19. Die Zähne des Zahnrads 20 haben
eine axiale Länge, die mit der Länge der Hubbewegung des Kolbens 2 übereinstimmt.
Das Zahnrad 20 bildet mit einem zusätzlichen Zahnrad 21 eine Einheit. Das Zahnrad
21 schließt sich axial an das Zahnrad 20 an. Beide formschlüssig miteinander verbundenen
Zahnräder 20, 21 sind um die gleiche Achse 22 drehbar, deren Enden im Gehäuse 8
gehalten sind. Das Zahnrad 21 greift mit seinen Zähnen in ein Ritzel 23 ein, das
auf der Antriebswelle 24 eines Elektromotors 25 sitzt, der am Gehäuse 8 befestigt
ist. Die Zahnräder 19, 20, 21 bilden ein Zahnradvorgelege, mit dem die Drehzahl
des Elektromotors 25 auf eine niedrige Drehzahl herabgesetzt wird, mit der sich
der Kolben 2 zusätzlich zu seiner Hubbewegung dreht.
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Im Zahnrad 19 ist außermittig ein Zapfen 26 eingesetzt, der einen
Kugelkopf 27 trägt, der die Stirnseite des Zahnrads 19 überragt. Der Kugelkopf 27
befindet sich auf der dem Zylinder 3 abgewandten Seite des Zahnrads 19 und ist in
einer kugeligen Pfanne 28 einer Stange 29 gelagert, die an ihrem anderen Ende eine
weitere, gleich ausgebildete Pfanne 30 aufweist. In der kugeligen Pfanne 30 ist
ein Kugelkopf 31 gelagert, der auf dem Ende eines Gewindezapfens 32 sitzt. Der Gewindezapfen
32 ist in das Gehäuse 8 an einer Stelle eingeschraubt, die gegen die Längsachse
33 des Kolbens 2 exzentrisch versetzt ist. Die Längsachse des Gewindezapfens 32
verläuft parallel zu der
Längsachse 33. In der am weitesten in
den Zylinder 3 eingeschobenen Lage des Kolbens 2 steht die Stange 29 in etwa senkrecht
auf der Stirnfläche des Zahnrads 19. Der Abstand der Längsachse des Gewindezapfens
32 von der Längsachse 33 entspricht dem Abstand der Längsachse des Zapfens 26 von
der Längsachse 33 des Kolbens 2. Die Stange 29 stellt ein Verbindungsglied dar,
durch das das Zahnrad 19 formschlüssig mit dem Gehäuse 8 gekoppelt wird. Damit wird
jeder Drehstellung zwangsweise eine bestimmte Hubstellung des Kolbens 2 zugeordnet.
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Wenn das Ritzel 23 über die Zahnräder 20, 21 das Zahnrad 19 antreibt,
dreht sich auch die Stange 29, die während einer Umdrehung jeweils längs des Mantels
eines Kegels umläuft. Eine Querschnittsfläche des Kegels mit den gestrichelten Mantellinien
37 ist in Fig. 1 dargestellt. Die in Fig. 1 strichpunktiert dargestellte Mittelachse
38 des Kegels schneidet die Längsachse 33 unter einem Winkel . Der Kugelkopf 27
läuft mit der Stange 29 um und beschreibt einen Kreisbogen. Die durch diesen Kreisbogen
verlaufende Ebene ist gegen die Ebene der Stirnfläche des Zahnrads 19 geneigt. Während
einer Umdrehung erzwingt daher die Stange 29 eine hin- und hergehende Bewegung des
Kolbens 2. Zugleich führt der Kolben 2 eine Drehung um 360" aus, die der Drehung
des Zahnrads 19 entspricht.
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Während eines Teils der Umdrehung steht der Kanal 14 mit seiner Aussparung
17 mit dem Durchlaß 6 in Verbindung. Die als Bohrung ausgebildete Aussparung 17
beschreibt dabei auf der Zylinderwand eine Schraubenlinie, wie sie in Fig. 4 dargestellt
ist. Während dieses Teils der Umdrehung bewegt sich der Kolben 2 in Richtung der
Außenseite des Zylinders 3. Der Kolben 2 saugt dabei Flüssigkeit, z.B. Öl, über
die Saugleitung 12, den Durchlaß 6 und den Kanal 14 in den sich vergrößernden
Arbeitsraum
18. In der zweiten Hälfte der Umdrehung stellt der Kanal 14 über den Durchlaß 7
eine Verbindung zwischen dem Arbeitsraum 18 und der Druckleitung 13 her. Der Kolben
2 bewegt sich in dem zweiten Teil der Umdrehung in Richtung des Inneren des Zylinders
3 und verkleinert dabei den Arbeitsraum 18.
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Während der zweiten Hälfte der Umdrehung des Kolbens 2 wird die Flüssigkeit
unter hohem Druck aus dem sich verkleinernden Arbeitsraum 18 über den Kanal 14 und
den Durchlaß 7 in die Druckleitung 13 gepumpt.
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Von den Bohrungen 14a und 16 gehen radiale Kanäle 34 aus, die in der
Mantelfläche des Kolbens 2 münden. Die Kanäle 34 verlaufen senkrecht zur Längsachse
33 und sind gegen die Aussparung 17 um 180° versetzt. In der Druckphase baut sich
über die Kanäle 34 ein Druck zwischen dem Kolben 2 und der Innenwand der Buchse
4 auf. Dieser Druck ist der durch die außermittige Angriffsstelle der Stange 29
erzeugten, senkrecht zur Längsachse 33 gerichteten Kraftkomponente entgegengerichtet,
so daß diese Kraftkomponente wenigstens teilweise kompensiert wird.
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Damit wird einerseits die Reibung zwischen Kolben 2 und Buchse 4 vermindert,
während andererseits eine gute Schmierung des Kolbens 2 erreicht wird. Diesem Zweck
dient auch eine mit der Bohrung 16 verbundene radiale Bohrung 36, die in Fig. 1
senkrecht zur Zeichenebene dargestellt ist. Die Größe und die Richtung der jeweiligen
Bohrungen 34 und 36 werden an die Gegebenheiten der Pumpe optimal angepaßt.
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Die Stange 29 besteht aus zwei zur Längsachse symmetrischen Stangenhälfte
35, die miteinander vernietet sind. Dieser Aufbau ermöglicht eine besonders wirtschaftliche
Fertigung.
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Bei hohen Beanspruchungen im Verbindungsglied zwischen dem Kolben
2 und dem Gehäuse 8 ist es günstig, eine Druckflüssigkeitsschmierung zwischen den
Pfannen 28, 30 und den Kugelköpfen 27, 31 vorzusehen. Hier können Drucktaschen in
den Pfannen 28, 30 und/oder den Kugelköpfen 27, 31 vorgesehen werden.
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Diese Drucktaschen sind durch Bohrungen in dem Kugelkopf 31, der Stange
29, dem Zahnrad 19 und dem Kolben 2 mit der unter Pumpendruck stehenden Bohrung
16 verbunden. Es ist auch möglich, das Zahnrad 19 kardanisch an einer Stange und
diese wiederum kardanisch am Gehäuse 8 zu befestigen.
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Um sicherzustellen, daß im Gehäuse 8 stets Druckflüssigkeit vorhanden
ist, kann das Innere des Gehäuses 8 mit der Saugleitung 12 verbunden werden, um
dem Zahnradvorgelege und der Stange 12 Schmiermittel zuzuführen. Im Inneren des
Gehäuses 8 kann auch ein spezielles Schmiermittel vorgesehen werden. Da die Pfannen
28, 30 und die Kugelköpfe 27, 31 je Umdrehung der Stange 29 abwechselnd einer Zug-
und Druckbeanspruchung ausgesetzt sind, wird zwischen die Pfannen 28, 30 und die
Kugelköpfe 27, 31 periodisch frisches Schmiermittel eingeführt, so daß ständig eine
gute Schmierung vorhanden ist. Um die Vermischung zwischen dem Schmiermittel und
der Flüssigkeit im Arbeitsraum 18 zu vermeiden, ist zweckmäßigerweise der Kolben
2 gegen das Innere des Gehäuses 8 hin abgedichtet.
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In Fig. 4 ist das Steuerdiagramm der hydraulischen Pumpe 1 dargestellt.
Zwischen den Druck- und Saugdurchlässen 6 und 7 bewegt sich die als Bohrung ausgebildete
Aussparung 17 in X-Koordinatenrichtung durch Drehung und in Y-Koordinatenrichtung
durch Axialverschiebung des Kolbens 2.
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Mit dem Elektromotor 25 können zugleich mehrere Kolben 2 über entsprechende
Zahnradvorgelege angetrieben werden. Für die Zylinder dieser Kolben und die Zahnradvorgelege
wird zweckmäßigerweise das gleiche Gehäuse verwendet. Das Ritzel 23 treibt dabei
zugleich mehrere Zahnräder an, die an verschiedenen Stellen des Umfangs angreifen.
Es ist auch möglich, die Übersetzungsverhältnisse der Zahnradvorgelege unterschiedlich
auszubilden.
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Bezugszeichenliste: 1 Pumpe 2 Kolben 3 Zylinder 4 Buchse 5 Schraube
6 Durchlaß 7 Durchlaß 8 Gehäuse 9 Stift 10 Gewindebohrung 11 Gewindebohrung 12 Saugleitung
13 Druckleitung 14 Kanal 14a Bohrung 15 Stirnseite 16 Bohrung 1 7 Aussparung 18
Arbeitsraum 19 Zahnrad 20 Zahnrad 21 Zahnrad 22 Achse 23 Ritzel 24 Antriebswelle
25 Elektromotor 26 Zapfen 27 Kugelkopf 28 Pfanne 29 Stange
30 Pfanne
31 Kugelkopf 32 Gewindezapfen 33 Längsachse 34 Kanal 35 Stangenhälfte 36 Bohrung
37 Mantellinie 38 Mittelachse
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