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VERSTELL-FLÜGEL-VERDRÄNGERPUMPE FÜR STRÖMUNGSANTRIEBE
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BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft eine Verstell-Verdränger-Str6mungspumpe
mit Flügeln und beweglichem Mantel.
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Die bekannten PumpeRdieser Art umfassen: - einen Flügeldrehkolben,
- einen beweglichen Mantel, der aus einem den Drehkolben umgebenden Ring besteht
und zum Beispiel durch zwei Kolben dazu gebracht wird, sich in eine zum Drehkolben
exzentrische Lage zu bewegen, wobei die beiden Kolben durch die Steuerung eines
Druckausgleichkreises auf diametral entgegengesetzte Stellen des Ringes wirken,
und auf den sich eine entlang einer zur Achse der beiden Kolben rechtwinkligen Achse
einstellbar angeordnete Schraube stemmt, - zwei gegen den Mantel anliegende Teller,
die den Mantel seitlich abschliessen und mit demselben eine Art geschlossene, den
Mantel aufnehmende Schachtel bilden und in denen Saug- und Drucköffnungen des Mediums
ausgebildet sind, - ein Gehäuse, das sämtliche oben angegebenen Bestandteile enthält
und an der Aussenseite Saug- und Druckanschlüsse aufweist.
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Die Verstellung solcher Pumpen erfolgt durch exzentrische Bewegungen
des Mantels gegenüber dem Drehkolben.
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Eine so ausgebildete Pumpe weist jedoch zahlreiche Nachteile auf,
die vor allem auf die sehr labile Befestigung des Mantels zurückzuführen sind, der
sich praktisch nur auf die drei durch die beiden Kolben und die Stellschraube gebildeten
Richtpunkte stützt.
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Wegen dieses labilen Haltes ist eine Verschiebung des Mantels
in
aufgrund der von den beiden Kolben ausgeübten Schubkraft zum Drehkolben exzentrische
Lage das Ergebnis nicht nur einer Drehbewegung des Mantels um die Stellschraube,
sondern auch einer Gleitbewegung des Mantels auf diese Schraube.
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Diese Gleitkomponente lässt sich nicht leicht feststellen, da sie
ziemlich zufällig veränderlich ist und daher das Verhältnis zwischen Kolbenhub und
Mantelverschiebung nicht eindeutig macht.
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Es entsteht dadurch eine unvorhersehbare Veränderlichkeit des typischen
Betriebsparameter der Pumpe, zum Beispiel der Mediumabdichtungs- und Flusslinien,
der Anordnung der Mindest- und Höchstexzentrizitätsachsen und daher der typischen
Regel-, Wirkungs- und Geräuschbildungseigenschaften der Pumpe und schliesslich der
Anordnung der Achsen, auf die die während der Pumpenbewegung erzeugten Reaktionskräfte
wirken.
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Der oben erwähnte labile Halt löst auch unerwünschte Bewegungen des
Mantels während der Drehbewegung des Drehkolbens aus. Die Drehkolbenflügel- können
nämlich den nicht drehfest angeordneten Mantel in der Drehbewegung mitnehmen.
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Dadurch entsteht die Gleitbewegung des Mantelringumfanges an den beiden
Kolben und an der Stellschraube sowie der Mantelflanken an den Tellern, was einen
frühzeitigen Verschleiss dieser Bestandteile verursacht. Ausserdem verändert die
Gleitbewegung zwischen Mantelflanken und Tellern die Spiele zwischen denselben,
wodurch der Wirkungsgrad kleiner und das Geräusch grösser wird.
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Ein weiterer Nachteil der bekannten Pumpen, der stets auf die labile
Befestigung des Mantels und daher auf die unerwünschten
Veränderungen
der ganzen Pumpengeometrie zurückzuführen ist, besteht in den langen Ansprechzeiten
der Mantelbewegung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile der bekannten
Technik zu beseitigen.
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Diese Aufgabe wird durch die Ausführung einer Verstell-Flügel-Verdrängerpumpe
gelöst, die ein Gehause mit einem Hohlraum aufweist, in dem ein Drehkolben mit Flügeln
drehbar gelagert und von einem Ringmantel umgegeben ist, der an den Flanken durch
Teller geschlossen und in zum Drehkolben exzentrische Lage verschiebbar ist, wobei
innerhalb des Mantels, der Teller und des Drehkolbens eine geschlossene Innenkammer
gebildet ist, in der Ein- und Auslassöffnungen des Mediums ausgebildet sind, dadurch
gekennzeichnet, dass der Mantel um einen am Pumpengehäuse befestigten Zapfen frei
schwenkbar gelagert ist.
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Die Anlenkung des Mantels am Pumpengehäuse begrenzt und bestimmt seine
Bewegungen ausschliesslich auf die Drehbewegung um die Anlenkachse und verhindert
jede andere Bewegung, die seine richtige Lage verändern könnte.
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Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden nachstehend an Hand
von zwei nicht beschränkenden, in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen
näher beschrieben. Es zeigen: F,ig. 1 eine Ansicht im Radialschnitt nach der Linie
I-I von fig. 2 einer ersten erfindungsgemässen Pumpe, Fig. 2 eine Ansicht im Längsschnitt
dieser ersten Pumpe nach der Linie II-II von Fig. 1,
Fig. 3 eine
Ansicht im Radialschnitt, ähnlich wie Fig. 1, einer zweiten erfindungsgemässen Pumpe.
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Die in Fig. 1 und 2 dargestellte, allgemein mit 10 bezeichnete Pumpe
weist ein Gehäuse 11 auf, in dem ein Hohlraum 12 ausgebildet ist, der einen Innendrehkolben
13 und einen beweglichen Aussenmantel 14 aufnimmt.
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Der Drehkolben 13 ist an einer im Gehäuse 11 drehbar gelagerten Welle
15 befestigt. Der Drehkolben 13 trägt ringförmig angeordnete, in entsprechenden
Radialhohlräumen 17 des Drehkolbens 13 bewegliche Flügel 16.
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Der Mantel 14 weist einen Teil 18,auf dessen Innenwand 19 sich die
Flügel 16 stemmen, und einen Teil 20 auf, der sich radial zum Teil 18 erstreckt
und um einen am Gehäuse 11 befestigten Zapfen 21 frei drehbar gelagert ist. Die
Flanken des Teils 18 sind durch zwei Teller 22 geschlossen, die am Teil 18 selbst
befestigt sind. Im Teil 18 ist ein Fenster 23 ausgebildet, das sich nach innen nach
den Flügeln 29 und nach aussen nach dem Hohlraum 12 öffnet. Im Bereich des Fensters
23 ist im Gehäuse 11 ein Durchgang 24 ausgebildet, der den Hohlraum 12 mit der Aussenseite
verbindet. Im Abschnitt 20 ist in dem Fenster 23 entgegengesetzter Lage ein Hohlraum
25 ausgebildet, der einen ringförmigen Teil des Zapfens 21 aufnimmt. Der Hohlraum
25 öffnet sich nach den Flügeln 16 hin und in denselben münden ausserdem Radialbohrungen
26 ein, die im ringförmigen Teil des Zapfens 21 ausgebildet sind.
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Die Bohrungen 26 stehen mit einem im Zapfen 21 ausgebildeten, gemeinsamen
Axialkanal 27 in Verbindung. Der Kanal 27 verlängert sich zu einer im Gehäuse 11
ausgebildeten und nach aussen mündenden Leitung 28.
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Der Kanal 27 steht mit einem Druckausgleichkreis in Verbindung, der
hier nicht im Einzelnen beschrieben wird, da es sich um eine dem Fachmann bekannte
Bauart handelt. Es werden daher nur die wesentlichen Teile desselben beschrieben.
Insbesondere gehen vom Kanal 27 zwei Kanäle 29 und 30 aus. Der Kanal 29 mündet im
Boden einer Kammer 31 ein, die sich im Hohlraum 12 öffnet und in der ein Kolben
32 frei verschiebbar ist, der auf die Aussenwand des Teils 18 des Mantels 14 radial
wirkt und dessen Hubende durch eine Schraube 33 einstellbar ist. Der Kanal 30 steht
über den Kreis eines Druck regelventils 35 bekannter Bauart, das am Gehäuse 11 befestigt
ist, mit einer Kammer 34 in Verbindung. Die Kammer 24 öffnet sich im Hohlraum 12
und in derselben bewegt sich ein Hohlkolben 36, der von einer Feder 37 beaufschlagt
wird und auf die Aussenwand des Teils 18 in zum Kolben 32 diametral entgegengesetzter
Lage elastisch wirkt, da die beiden Kolben 32 und 36 entlang der einen und derselben
Achse liegen, die zur Achse des Zapfens 21 rechtwinklig verläuft und in einer zu
dieser Achse parallelen Ebene liegt. Im Gehäuse 21 ist auch eine Leitung 38 ausgebildet,
die den Kreis des Druckregelventils 35 mit dem Auslass verbindet.
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Die oben beschriebene Pumpe 10 arbeitet folgendermassen: Beim Anlauf
des Drehkolhens 13 (selbstverständlich durch Antrieb der Welle 15) befindet sich
der Mantel 14 in der (zum Drehkolben) exzentrischen Lage, die in Fig. 1 dargestellt
ist, und zwar aufgrund der vom Kolben 36 ausgeübten elastischen Schubkraft. Dabei
hält der Kolben 36 den Mantel 14 so, dass er (in Fig. 1) gegen den natürlichen,
durch den am Hubende befindlichen Kolben 32 gebildeten Anschlag nach unten verschoben
ist.
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In diesem Zustand, bei dem der Drehkolben 13 gegen den Uhrzeigersinn
(in Fig. 1) umläuft, dient offensichtlich das Fenster 23 als Saugöffnung des Mediums,
während der Hohlraum 25 als Drucköffnung dient. Dadurch wird das Medium ausserhalb
des Gehäuses 11 aus einem Behälter durch den Durchgang 24, den Hohlraum 12 und das
Fenster 23 angesaugt und von hier aus, durch die von den Flügeln 16 bestimmten Räume
mit veränderlichem Volumen, unter Druck zum Hohlraum 25 gefördert, aus dem es durch
die Durchgangsbohrungen 26 in den Kanal 27 einfliesst, um dann durch die Leitung
28 nach aussen zum Verbraucher gefördert zu werden. In diesem Zustand bleibt der
Mantel 14 in der in Fig. 1 dargestellten Lage, solange der Förderdruck nicht einen
gewissen, durch die Einstellung des Druckregelventils 35 bestimmten Höchstwert überschreitet,
und zwar weil der auf den Kolben 32 wirkende Druck des druckseitig durch den Kanal
29 entnommenen Mediums gleich der Summe des Druckes des druckseitig durch den Kanal
30 und das Druckregelventil 35 entnommenden Mediums und des Druckes der auf den
Kolben 36 wirkenden Feder 37 ist, so dass der Kolben 36, der einen grösseren Wirkungsquerschnitt
hat, eine höhere Kraft als der Kolben 32 ausübt.
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Überschreitet der Förderdruck den vorgegebenen Höchstwert, so bewegt
sich der Steuerschieber 39 des Druckregelventils 35 nach links (in Fig. 1) und verbindet
die Kammer 34,durch die Innenkanäle des Ventils 35 und durch die Leitung 38, mit
dem Auslass, wie aus Fig. 1 ersichtlich. Dadurch fällt der auf den Kolben 36 wirkende
Hydraulikdruck, während der auf den Kolben 32 ausgeübte Förderdruck aufrechterhalten
bleibt, Da nun die vom Kolben 32 ausgeübte Kraft grösser geworden ist, als die vom
Kolben 36 ausgeübte Kraft, dreht der Mantel 14 um den Zapfen 21 und bewegt sich
dabei nach oben, so dass
seine Exzentrizität zum Drehkolben 13
abnimmt und daher auch die Fördermenge der Pumpe 10 im Grenzfall bis zum Nullwert
abnimmt.
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Sobald der Förderdruck unterhalb des vorgegebenen Höchstwertes sinkt,
stellt das Druckregelventil 35 die Drucklast des Mediums auf den Kolben 36 wieder
her und der Mantel 14 nimmt wieder seine untere Lage ein.
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Man erhält dadurch eine Regelung der Fördermenge in Abhängigkeit vom
Förderdruckwert, der wiederum von den Anforderungen des Verbrauchers abhängt.
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Die oben beschriebene Pumpe 10 weist gegenüber den bekannten, einleitend
erwähnten Pumpen zahlreiche Vorteile auf.
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Der Mantel 14 kann sich nur in einer festen und bestimmten Ebene bewegen,
da ihm der Zapfen 21, um den der Mantel dreht, nur einen Freiheitsgrad gestattet.
Folglich lassen sich die Geometrie (Achsen, Winkel, usw.) sowie die Achsen, auf
die die Reaktionskräfte wirken, bei sämtlichen Arbeitsstufen und Mantelbewegungen
vorsehen und vorbestimmen, so dass ausser einer optimalen Bemessung der Pumpenteile
auch die optimale Bestimmung von Öffnungen, Durchgängen, Kanälen und Dämpfungsrillen
möglich ist, um ein Höchstmass an Leistungsfähigkeit (hoher Wirkungsgrad und Geräuscharmut)
unabhängig (selbstverständlich innerhalb gewisser Grenzen) von der Mantellage und
von den Arbeitsbedingungen zu erzielen.
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Zwischen Mantel und Kolben findet keine Gleitreibung mehr statt, weil
der Zapfen 21 Eigendrehbewegungen des vom Drehkolben mitgenommenen Mantels 14 verhindert.
Auch zwischen Mantel und Tellern kann keine Gleitreibung stattfinden, weil
die
Teller 22 am Mantel 14 starr befestigt sind.
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Dadurch wird der Verschleiss dieser Pumpenteile geringer und es sind
keine feinmechanischen Bearbeitungen zwischen den Berührungsflächen der Teile mehr
erforderlich.
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Dank der unveränderlichen Pumpengeometrie und der betrAchtlich geringeren
Reibung während der Mantelbewegung sind die Ansprechzeiten derselben viel bess-er
Die Schwenkbewegung des Mantels 1 t um den Zapfen 21 verursacht berhaupt keine überhaupt
keine Anderung der Geometrie sämtlicher Saug- und Druckdurchgänge (Fenster 18, Hohlraum
25, Bohrungen 26), die an dieser Bewegung beteiligt sind, wie man lej;cht folgern
kann, wenn man die Figuren betrachtet und an eine relative Bewegung der Teile denkt.
Die Betriebsbedingungen der Pumpe sind daher bei sämtlichen Lagen des Fördermengenregelmantels
immer optimal.
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Bei den einleitend erwähnten, bekannten Pumpen geschieht dagegen,
dass die relativen Bewegungen zwischen Mantel, Drehkolben und Tellern dazu führen,
dass die in den Tellern ausgebildeten Saug- und Drucköffnungen durch Mantel und
Drehkolben zum Teil abgedeckt werden, wobei die Geometrie dieser Offnungen unerwünscht
verändert wird.
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Der Aufbau der Pumpe 10 und die unveränderliche Geometrie der Mediumdurchlässe
ermöglichen die Anwendung der Pumpe als Motor, wobei die Exzentrizitätsrichtung
des Mantels abgeändert wird. Dazu sind die Anschläge und die entsprechenden Steuersysteme
der Kolben 32 und 36 zweckmässig abzuändern. Diese wichtige Funktion, die bei den
bekannten Pumpen wegen der labilen Punkte, die die Bewegung des beweglichen Mantels
bestimmen,
nicht unmittelbar möglich ist, lässt sich dagegen bei
der Pumpe 10 unmittelbai ewerkstelligen, und zwar wegen der Anwesenheit des festen
Zapfens 2i, um den der Mantel 14 in bestimmter Weise drehen kann. Die Fördermengen
von so ausgestatteten Pumpen, wenn sie an anderen Pumpen angeschlossen sind, lassen
sich weitgehendst regeln, weil diese Pumpen das Medium nicht nur liefern, sondern
gleichermassen aus dem Kreis ansaugen können (wenn sie als Hydraulikmotor arbeiten
und der Welle Antriebskraft zurückgeben), wodurch sich Regeleigenschaften und Möglichkeiten
erzielen lassen, die viel umfassender als diejenigen sind, die bei den einleitend
genannten, bekannten Pumpen zur Verfügung stehen.
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In Fig. 3 ist eine zweite erfindungsgemässe Pumpe dargestellt.
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Diese zweite Pumpe weist ein Gehäuse, einen Drehkolben und einen Mantel
auf, die ähnlich wie diejenigen der ersten Pumpe 10 nach Fig. 1, 2 sind. Der Deutlichkeit
und der Einfachheit halber werden sämtliche Teile dieser zweiten Pumpe, die denjenigen
der Pumpe 10 ähnlich sind, mit den gleichen Bezugszeichen und dem Buchstaben A bezeichnet.
Diese zweite Pumpe ist also allgemein mit 10A bezeichnet.
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Der Unterschied dieser zweiten Pumpe 10A besteht im System, das die
Drehbewegung des Mantels um den Zapfen steuern soll.
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In diesem Fall wird nämlich ein doppelwirkender Zylinder 50 benutzt,
dessen Kolben 51 die Bewegung des Mantels 14A auslösen soll.
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Zu diesem Zweck verlängert sich der Kolben 51 in einer Stange 52,
die über eine an dem einen Ende an der Stange 52 und
an dem anderen
Ende an einem Ansatz 53 angelenkte Kurbelstange 54 mit dem Ansatz 53 verbunden ist.
Wie aus der Figur ersichtlich, erstreckt sich der Ansatz 53 aus dem Teil 18A des
Mantels 14A einteilig mit demselben.
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Auf den Kolben 51 übt eine Feder 55 einen elastischen Druck aus, der
den Kolben 51 am Hubende holt, so dass der nach unten (in Fig. 3) bewegte Mantel
14A gegen einen einstellbaren Anschlag anliegt, der aus dem Kopf 56 einer Schraube
57 besteht, die im Gehäuse 11A ähnlich wie bei der Pumpe 10 eingeschraubt ist.
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Die Bewegung des Kolbens 51 kann durch ein Magnetventil 58 bekannter
Art gesteuert werden, das die Verbindung mit der Druckmediumquelle bzw. die Verbindung
mit dem Auslass der beiden Kammern 59 und 60 steuert, die nach einem auf diesem
Gebiet wohlbekannten Prinzip durch den Kolben 51 in seinem Bewegungsraum über zwei
Kanäle 61 bzw. 62 gebildet sind.
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Die Druckmediumquelle kann der Auslass der Pumpe selbst sein.
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Seinerseits kann das Magnetventil 58 durch eine nicht dargestellte
Steueranlage gesteuert werden, die dem Magnetventil 58 je nach den verschiedenen
Parametern ein entsprechendes Signal liefert, das die Bewegung des Kolbens 51 und
daher des Mantels 14A in die gewünschte Stellung auslöst.
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Als Parameter kann die Steueranlage ein dem Förder-druck entsprechendes
elektrisches Signal über einen entsprechenden, am Gehäuse 11A befestigten Druckgeber
63 erhalten, der das Signal aus der Druckleitung 28A durch einen Kanal 64 entnimmt.
Ausserdem kann die Steueranlage ein der Lage des Mantels
14A entsprechendes
elektrisches Signal über einen Stellungsgeber 65 erhalten, dessen Abtastglied aus
einem Stab 66 besteht, der den Teil 18A des Mantels 14A an der der Schraube 57 entgegengesetzten
Seite abtastet.
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Wahlweise kann die Bewegung des Kolbens 51 durch einen Druckausgleichkreis
gesteuert werden, der demjenigen der Pumpe 10 ähnlich ist und bei dem das dem Förderdruck
entsprechende Signal an beiden Seiten des Kolbens 51 geliefert wird, wobei das Signal
an der Seite, auf die die Feder 55 wirkt, durch ein Druckregelventil wie das Ventil
35 von Fig. 1 geht.