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Radialkolbenverstellpumpe mit digitaler Fördarstromversteilung
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Die Erfindung betrifft eine Förderstromveränderliche Radialkolbenmaschine,
insbesondere eine Radialkolbenpumpe mit Ventilsteuerung, die auch speziell für die
Verwendung niederviskose medien Wasser und HFA und speziell auch im Hochdruckbereich
einsetzbar ist.
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Die bisher für solche Zwecke oft eingesetzten modifizierten Pumpen
fur ulhydraulik können die Forderungen nach hohem vol.
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Wirkungsgrad und nach geringem Verschleiß der einzelnen Bauelemente
nicht erfüllen.
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Es sind Konstantpumpen bakannt mit querkraftfreier Kolben- Zylinderanordnung,
jedoch ist hier die möglichkeit der Förderstromverstellung nicht gegeben.
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Die meisten Vsrstellpumpen arbeiten durch Verstellung der Exzenter
zität und dadurch des Kolbenhubes mit einer analogen Verstellung Bei Konstantpumpen
wird eine Förderstromverstellung über Bauteile, die nicht in die Pumpe integriert
sind oft durch Abschalten einzelner Kolben über zusätzliche tWegeventilsteuerung
durchgeführt.
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Diese maßnahmen erfordern zusätzliche hochdruckfähige Bauelemente,
die besonders bei Betrieb mit HFA nicht nur eine Verschlechterung des vol. Wirkungsgrades
durch Spaltverluste haben, sondern auch dem Verschleiß durch Kapitationserrosion
unterliegen.
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Bei den meisten am markt befindliche Bauarten ergeben sich Querkräfte
und Biegemomente dadurch, daß die Kolben im Zylinder fest eingespannt sind. Diese
Kräfte werden mit steiegender Exzentritität bzw. Kolbenhub unzulässig groß, weshalb
eine Vergrößerung des Kolben hubes welcher zu einer erheblichen Verbesserung des
vol. Wirkungsgrades beitragen könnte, bei dieser Anordnung nicht möglich ist.
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Bei den analogen Verstellpumpen ist der aus der Lite ratur bekannte
und in Fig. 11 dargestellte Nachteil des zunehmend schlechteren vol. Wirkungsgrades
bei Verringerung des Förderstromes deutlich sichtbar und kommt insbesondere bei
Einsatz von HFA in verstärktem Maß e zum tragen.
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Es zeigt sich, da8 der vol. Wirkungsgradmben dem Verschlei3 einzelner
Bauteile durch geringe Schmierfähigkeit des Mediums ein wichtiges Problem darstellt.
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Es ist keine Radialkolbenverstellpumpe am Markt, welche konzeptionsbedingt
vergleichbar guten vol. Wirkungsgrad bei ausreichender Lebensdauer der einzelnen
Bauteile sowie das aus der "lhydrautik bekannt ist, erbringt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde durch eine Reihe von konzeptionellen
Maßnahmen die zwangsläufig zur erfindungsgemäten Kombination von Bauelementen führt,
optimalen vol. Wirkungsgrad auch für niederviskose medien im gesamten Förderstrombereich
zu erbringen. Des weiteren soll durch Kompensation von Kräften bzw.
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durch kinematische Lösungen die z.b. Querkräfte und Biegekräfte nicht
entstanden lassen, dadurch nicht nur geringerer Verschleiß sondern auch eine Verbesserung
des vol. Wikrungsgrades erreicht werden.
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Diese komplexe Aufgabenstellung führt zu einem Bündel von Maßnahmen
und zwangbläufig zu einer Kombinationserfindung. Diese Aufgabe wird erfindungsgemaß
dadurch gelöst, daß alle Konstruktionsparameter, welche durch Verbesserung des vol.
Wirkungsgrades infrage kommen, wie Ventilsteuerung, Nutzung des größten Kolbenhubes,
Verlängerung des Dichtspaltes zwischen Kolben und Zylinder sowie Vermeidung don
exzentrischer Spaltgeometrie durch Querkräfte, optimiert werden.
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Die erfindungsgemäßen maßnahmen betreffen im einzelnen insbesonder
die Vergrößerung des Kolbenhub es durch querkraft-und biegemomentfreie kinematische
Anordnung der Kolben bzw. Zylinder und deren Lagerung zwischen 2 Drehpunkten. Diese
Anordnung vermeidet in weiterer Folge auch die bei den meisten anderen Systemen
sich ergebende, für den vol. Wirkungsgrad sehr nachteilige exzentrische Spaltgeometrie.
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Eine weitere sehr wichtige Maßnahme ist im Gegensatz zur analogen
Verstellung mit ihrem schlechten vol. Wirkungsgrad im Teilförderstrombereichleine
digitale Verstellung durch Stellelemente, die jedem Saugventil zugeordnet sind und
die bei Ansteuerung das ,Saugventil beim Druckhub am Schließen hindern und der Förderstrom
dieser Kolben drucklos über das Saugventil zum Saugraum zurückgeführt wird.
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Diese Art der digitalen Förderstromverstellung ergibt gemäß Fig. 11
konstanten vol. Wirkungsgrad auch im Teilförderstrombereich. Die Stellelemente selbst
sind verlustfrei konzipiert.
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Die in den Unteransprüchen gezeigten Varianten der digitalen Förderstromverstellung
lassen alle wichtigten Parameter für betriebsdruckabhängige Regelungen wie Leistungs-
und Druckun regelung zu. Des weiteren sind betriebsdruck5'abhängige Verstellmöglichkeiten,
z.B. durch Elektromagnete aufgezeigt.
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Die Kombination aller aufgezeigten Maßnahmen ergeben die in Fig. 11
im Schaubild, anhand einer 14 Kolbenpumpe, die gagenüber den Fig. 1 und 2 gezeigten
Anordnungen jedoch mit einem 2-reihigen Exzenter ausgeführt ist, eine erhebliche
Verbesserung des vol. Wirkungsgrades. Das wird einerseits erreicht durch die querkraftfreie
Kolben- Zylinderanordnung und die dadurch mögliche Verdoppelung des Kolbenhubes
sowie durch die digitale Förderstrom verstellung durch die der vol. Wirkungsgrad
im gesamten Verstellbereich konstant bleibt.
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Eine weitere zusätzliche im Schaubild Fig. 11 nicht erfaßte Steigerung
des vol. Wirkungsgradss ergibt die querkraftfreie Kolbenanordnung und die dadurch
erreichbar zentrische Kolbengeometrie, die gegenüber der exzentrischen Kolbengeometrie
geringe Spaltverluste ergibt. Daß die vorgeschlagenen maßnahmen darüber hinaus durch
Wegfall von Kräften verschleißfreiheit ergibt, bestätigt die Vorteile der erfindungsgemäßen
Konzeption.
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Die erzielbaren Verbesserungen zur Anhebung des vol. Wirkungsgrades
sind so groß, daß die durch niedere Viskosität hohen Spaltverluste bei dem Medium
HFA gegenüber bl weitgehend wettgemacht werden.
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Selbstverständlich ist ein Einsatz dieser Pumpe auch für die Ölhydraulik
möglich und vorteilhaft und ergibt insbesondere neben der erheblichen Wirkungsgraduarbesserung
im Teilförderstrombereich gegenüber analogen Systemen den Vorteil der hohen Wiederholgenauigkait
bei der Förderstromverstellung.
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Das ist für viele Anwendungen sehr wichtig, Am Rande sei erwähnt,
daß durch die Abschaltung einzelner Kolben eine Geräuschreduzierung gegenüber analogen
Systemen möglich ist.
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Zweckmäßige konstruktive Ausgest faltungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen gekennzeichnet, beispielsweise Ausführungsformen werden im folgenden
an den beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.
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Es zeigen: Fig. 1 schematisch eine Radialkolbenpumpe mit 7 Kolben,
davon im Teilschnitt 1 Kolben, 1 Zylinder, 1 Saugventil und 1 Stellelement gemäß
Schnittlinie C - D in Fig. 2 Fig. 2 zeigt die Seitenansicht von Fig. 1 im Teilschnitt
gemäß Schnittlinie A - B in Fig. 1 Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt aus Fig.1mit dem
Stellglied und dem Saugventil.
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Fig.4 zeigt einen Ausschnitt aus Fi3. 2 mit dem Saug- und Druckventil
und dem Stellglied gemäß Schnittlinie E - F in Fig.3 Fig. 5 zeigt schematisch eine
Radialkolbenpumpe mit 7 Kolben.
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Zu dem Teilschnitt ist 1 Kolben, 1 Zylinder, 1 Saugventil, 1 Federelement
sowie der Regler zu sehen, gemäß Schnittlinie G - H gemäß Fig. 6.
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Fig. 6 zeigt die Seitenansicht von Fig. 5 im Teilschnitt, gemäß Schnittlinie
J - K in Fig. 5
Fig. 7 zeigt die Abwicklung des Stallringes 16 mit
unterschiedlichen Wegabständen X 1 - X 7 im Schnitt, gemäß Schnittlinie G - H in
Fig. 6.
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Fig. d zeigt einen Ausschnitt aus Fig. 5 mit dem Saugventil 14 und
dem Stellelement 17 mit Feder 22 gemäß Schnittlinie G - H in Fig. 6.
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Fig. 9 zeigt einen Elektromagneten als Geber, gemäß Schnittlinie G
- D in Fig. 2 Fig.10 zeigt eine Leistungsregelcharakteristik mit dem Parameter Q
.P=konstant und eine Druckregelcharakteristik p w konßtant Fig.11 zeigt im Schaubild
bei konstantem Druck 400 bar die Abhängigkeit des vol. Wirkungsgrades 2 vol. vom
Kolbenhub und zeigt weiter einen Vergleich der analogen und der digitalen Förderstromverstellung
sowie das optimale Ergebnis bei Ausschöpfung der kombinierten Maßnahmen.
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h = Kolbenhub Förderstrom analaog = analoge Förderstromverstellung
Normalhub DIGITAL = Hub bei Querkraft belasteten Systemen Normalhub DIGITAL = Hub
bei Querkraft freien Systemen Für die erfindungsgemäße Lösung der kinematischen
Anordnung von Kolben 13 und Zylinder 12 sind in Fig. 1 und 2 die Lagerung zwischen
2 Drehpunkten gezeigt, wobei die Variationsmöglichkeiten gemäß der Unteransprüche
2 - 4 vorgesehen sind, z,B. kann die Laufbahn des Exzenters 8 wie in Fig. 2 strichpunktiert
eingezeichnet ausgeführt werden. Gemäß dieser kugeligen Ausführung ist auch der
Fuß des Kolbens 13 kugelig. Ebenso kann die Anordnung
des Zylinders
12 an seinem abgestützten Ende kugelig oder als Kreisbahn ausgebildet sein und beide
Lösungen können konkav oder konvex angeordnet werden.
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Für die erfindungsgemäß Lösung der Förderstromverstellung sind 3 Varianten
vorgeschlagen. Gemäß Fig. 1 - 4 wird die gemeinsame Druckbeaufschlagung durch den
Betriebsdruck über die Stellglieder 23 welche eine Meßfeder 24 haben, durchgeführt
wobei die digitale Kraftstufung der StellgLieder erfolgen kann um den Schließgang
der Saugventile zu verhindern. Die Stell glieder sind im Gehäusering 11 eingebaut.
Es ist auch eine Anordnung mit einer begrenzten Anzahl von Stellgliedern, um nicht
alle Saugventile zu betätigen, möglich.
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Ebasno ist auch eine Fremdsteuerung betriebsdruckabhängig oder eine
Kombination beider Ansteuerarten grundsätzlich möglich.
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Gemäß Fig. 6-a wird eine weitere Variante dargestellt.
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Hier werden Federelemente 17, die durch Federn 22 flexibel sind, verwendet,
um die jeweils durch den Betriebsdruck geschlossenen Saugventile nach ihrer Umsteuerung
im Saughub zu blockieren. Dadurch wird ein erneutes Schließen des Saug hubes verhindert.
Die Signal eingabe durch den Betriebsdruck erfolgt am Regler 13, wobei sich der
Kolben 21 gegen die Feder 19 abstützt. Über dem Stellzapfen 20 wird der Stellring
16 betätigt. In dem Stellring 16 sind die Eederelemente 17 je nach Paramter der
Regelcharakteristik X 1 -X 7 in Fig. 7 wegversetzt angeordnet.
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Eine weitere Variante gemäß Fig. 9 ist durch Betätigung durch Elektromagneten
25, welche die Saugventile am Schließvorgang hindern, möglich. Die Signaleingabe
kann durch Druck- Weg-oder zeitabhängige Steliglieder in digitaler Stufung erfolgen.
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Nachfolgend sollen nach Fig. 1- 10 der Lösungsweg und die dabei verwendeten
Bauelemente beschrieben werden.
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In Fig. 1 und 2 ist eine Radialkolbenpumpe mit 7 Kolben und 7 Zylindern
tv sahen. Die Kolben- Zylinderpaar sind 1 -7 gekennzeichnet. In der Praxis werden
durch nebeneinanderliegende Exzenter mehrreihige Pumpen gebaut um durch eine größere
Anzahl Zylinderpaare eine engere Stufung zu erhalten.
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Die Darstellung beschränkt sich auf die Anordnung mit einem Exzenter.
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Die Seitenteile 9 und 10 sind mit dem Gehäusering 11 verbunden Der
Antrieb erfolgt über die Exzanterwelle B, welche in den Seitenteilen 9 und 10 gelagert
ist. Der Kolben 13 läuft auf der Exzenteroberfläche mit einem dem Exzenterdurchmesser
angepaßtem Radius. Die Exzenterfläche kann bekannterweise gerade oder auch kugelig
ausgeführt werden.
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Der Zylinder 12 ist in einem Lagerbock 25 kugelig gelagert, wobei
auch die Umkehrung der kugeligen Lagerung möglich ist, d.h. die Hohlkugel ist im
Zylinder 12.
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Der Lagerbock 26 enthält das Saugventil 14 und das Druckventil 15.
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Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt mit dem Stellglied 23.
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In Fig. 4 ist das Saugventil 14 und das Druckventil 15 zu sehen Der
jeweilige Betriebsdruck wird beim Zusammendrücken des Kolbens 13 und des Zylinders
12 über das Druckventil 15 dem Verbraucher über Auslaß 27 zugeleitet. Meist sind
mehrere Druck kanäle oder auch alle Druckse kanäle miteinander verbunden.
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Weiter wird der Betriebsdruck über Bohrung 28 dem Stallglied 23 zugaführt,
das bei Erreichen der Stellkraft, resultierend aus Kolbenfläche und Federkraft der
Feder, das Saugventil am Schließen hindert.
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Fig. 5 zeigt die Lösung mit einem gemeinsamen Stellring 16 für alle
Federringe 17. Der Betriebsdruck p wird dem Regler 18 zugeführt und wirkt auf den
Kolben 21 gegen eine Meß ruder 19.
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Bei der Überwindung der Federkraft durch den Betriebsdruck wird der
Stell zapfen 20 mitgenommen wobei sich der Stellring 16 dreht. Der Stellring 16
ist im Außenring 31 drehbar gelagert.
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Fig. 6 zeigt die Seitenansicht von Fig. 5. Im Seitenteil 9 ist der
Sauganschluß 30 vorgesehen.
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Fig. 7 zeigt die Abwicklung des Stellringes X 1 - X 7. Die Abstände
der Federelemente können je nach Parameter der SegeA-charalteristik mit unterschiedlichen
Längenabständen X 1 X 2 X 7 vorgesehen werden. Die Federelemente 17 müssen deshalb
flexibel sein, da andernfalls die jeweils durch den Betriebsdruck geschlosesenen
Saugventile nur mit sehr großen Stellkräften, welche unerwünscht sind, geöffnet
werden könntan. Die Seitenteile 9 und 10 sind mit dem Außenring 31 verbunden.
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Fig. 9 zeigt die Lösung für magnetbetätigte Stellelemente.
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Der Magnet 25 wird elektrisch durch druck-, weg- oder zeitabhängige
Signale, welche nicht dargestellt sind, entsprechend den gewünschten Parametern
angesteuert.
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