DE3628769A1 - Radialkolbenpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Radialkolbenpumpe mit einer in einem Gehäuse fest angeordneten Steuerwelle, auf der ein Rotor drehbar gelagert ist, der Zylinder bildende Radial­ bohrungen aufweist, in denen Kolben angeordnet sind, die mit ihrer nach außen gerichteten Stirnseite an einem zur Steuerwelle exzentrisch angeordneten Hubring abgestützt sind und mit in der Steuerwelle vorgesehenen Druck- und Saugleitungen.

Eine derartige Radialkolbenpumpe ist aus der DE-PS 24 12 718 bekannt. Bei dieser bekannten Radialkolbenpumpe sind im Inneren der Steuerwelle mehrere achsparallel verlaufende Bohrungen für den Zu- und Abfluß zu und von den Zylindern vorgesehen. Eine derartige Anordnung ist in der Herstellung sehr aufwendig und in der Funktion nachteilig. Da der Durchmesser der Steuerwelle aus verschiedensten Gründen nicht groß sein darf, können nur relativ lange, enge Bohrungen untergebracht werden. Die Steifigkeit der Welle und damit die Eignung des Triebwerkes für hohe Drücke ist daher gering. Die lange, enge Saugbohrung führt auch zur Saugdrosselung mit allen bekannten Konsequenzen wie: Kavitation, Leistungsverluste durch Aufladung und Dreh­ zahlbegrenzung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Radialkolbenpumpe der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der sich ein geringerer statischer und dynamischer Druckverlust in den Druckmittelleitungen ergibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zu­ mindest eine Druck- und/oder Saugleitung von zumindest einer am Steuerwellenumfang ausgebildeten, radial nach außen offenen Nut gebildet ist, die sich im wesentlichen parallel zur Achse der Steuerwelle erstreckt und die in einem koaxial zur Steuerwelle angeordneten Ringraum mündet. Damit wird eine Radialkolbenpumpe geschaffen, bei der die Nachteile der bekannten Lösungen, die im wesentlichen von den relativ engen Bohrungen für das Druckmittel herrühren, nicht auftreten.

Insbesondere werden anstelle der Saugbohrungen auf der Zylinderoberfläche der Steuerwelle im Bereich des Saughubes annähernd achsparallele Nuten angebracht, die in einem zur Steuerwelle koaxialen Ringraum im Gehäuse der Pumpe münden. Die Summe der Querschnittsflächen dieser Nuten kann bei gegebenem Wellendurchmesser größer sein und ihre Länge geringer als die Fläche und Länge einer vergleichbaren Längsbohrung. Es ergibt sich also ein geringerer statischer und dynamischer Druckverlust in der Saugleitung.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die Steuerwelle im Inneren nur eine einzige Längs­ bohrung aufweist. Dadurch kann diese Bohrung, die ins­ besondere als Druckleitung verwendet wird, optimal aus­ gelegt werden. Hierbei ist die Längsbohrung vorteilhafter­ weise in der Steuerwelle konzentrisch angeordnet.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungs­ gedankens können Nuten auch beidseitig (Antriebsseite) an der Steuerwelle vorgesehen sein.

In sehr zweckmäßiger Weise sieht eine weitere erfindungs­ gemäße Lösung vor, daß im Saugbereich der Steuerwelle Gleitschuhe angeordnet sind, auf denen der Rotor abgestützt ist und die in radialen Bohrungen verschiebbar gelagert und von einer vom Druck in der Druckleitung aufgebrachten Kraft beaufschlagbar sind. Mit dieser Lösung, die nicht aus­ schließlich in Kombination mit der im Anspruch 1 angegebe­ nen Lösung vorgesehen ist, wird erreicht, daß die im Saug­ bereich der Steuerwelle angeordneten Gleitschuhe durch hydraulischen Druck aus der Druckleitung radial nach außen gedrückt werden und dabei den Rotor dezentrieren. Bei Radialkolben-Triebwerken ist es nämlich zur Erzielung hoher volumetrischer Wirkungsgrade erforderlich, im Betrieb, vor allem im Bereich der Druckniere, sehr enge Spalte sicherzu­ stellen. Hierzu wird nach dem Stand der Technik entweder ein sehr hoher und teurer Fertigungsaufwand für die Paarung Bohrung/Welle aufgebracht (Größenordnung der Toleranzen < 1µm, Spiele etwa 3 bis 4 µm) oder mittels Stufenboh­ rungen für die im Rotor radial angeordneten Kolben eine Dezentrierung des Rotors zur Steuerwelle derart erzeugt, daß der Rotor im Bereich der Druckniere an die Steuerwelle angedrückt wird. Auf diese Weise läßt sich der "Lecköl­ spalt" in der Größenordnung von 10:1 verringern. Ohne Stufenbohrung wird der Rotor mit einer Kraft proportional der Projektion der Fläche der Druckniere in ihrem Bereich von der Welle abgehoben, was zu einem großen Leckölspalt führt, mit Stufenbohrung dagegen angedrückt. Im allgemeinen werden daher in der Technik Radialkolbentriebwerke mit Stufenbohrungen im Rotor ausgebildet. Dieses Konzept hat jedoch mehrere große Nachteile, die insbesondere in den Herstellkosten sowie einer Erhöhung der Radialkräfte durch Vergrößerung des Kolbendurchmessers (größere Radialkräfte auf Steuerwelle, äußeres Stützlager usw.) zu sehen sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der oben angegebenen weiteren Lösung sehen vor, daß zur Übertragung des Druckes in der Druckleitung auf die Gleitschuhe Kolben vorgesehen sind, die insbesondere einstückig mit den Gleitschuhen ausgebildet sind.

Die Gleitschuhe können verschieden geformt und angeordnet sein. So kommen beispielsweise in Frage axial bzw. annähernd axial verlaufende Leisten, schraubenlinienförmige Leisten, zylindrische Sektoren, die von den Stirnseiten der Kolben, die in Radialbohrungen der Steuerwelle mit Dichtungen eingelassen sind und mit der Druckleitung in Verbindung stehen, nach außen gedrückt werden. Es können mehrere Kolben und Gleitschuhe angeordnet werden, und zwar so, daß der Rotor gegenüber der Welle geringfügig "überkompensiert" dezentriert wird. Hierbei ist die Radialkraft der Gleitschuhe im Saugbereich größer als die entsprechende Radialkraft im Druckbereich, so daß der Rotor dort (Druckniere der Steuerwelle) an dieser anliegt.

Um den Effekt eines Mehrflächengleitlagers zu erzielen, sind gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung die zy­ lindrischen Flächen der Gleitschuhe, die der Rotorbohrung zugewandt sind, mit einem etwas kleineren Radius ausgebildet. Zwischen Rotor und Gleitschuh besteht hierbei hydrodynamische Reibung.

Auch können in vorteilhafter Weise in den Gleitschuhen koaxiale kleine Bohrungen vorgesehen sein, die in einer flachen Tasche in der zylindrischen Fläche des Gleitschuhes münden. Die Fläche dieser Tasche ergibt im Vergleich zur Fläche des zylindrischen Ansatzes die radiale Anpreßkraft des Gleitschuhes an die Rotorbohrung.

Die Herstellung der Gleitschuhe (einschließlich Tasche) kann als billiger Massenartikel sowohl als Sintermetall-Druckguß- oder Kunststoff-Teil erfolgen. Bei Radialspielen zwischen Rotor und Welle in der Größenordnung von 10µm liegen die Anforderungen an die Produktions- und Meßmittel in einem sehr günstigen Kostenbereich der allgemeinen Industriehydraulik.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbei­ spielen näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Steuerwelle und den Rotor einer Radialkolbenpumpe,

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Steuerwelle entlang der Linie A-A in Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt durch die Steuerwelle und den Rotor einer anderen Ausführungsform einer Radial­ kolbenpumpe, wobei in der linken Hälfte eine erste Ausführung und in der rechten Hälfte eine zweite Ausführung dargestellt ist, und

Fig. 4 eine Ansicht des in Fig. 3 dargestellten Rotors mit Steuerwelle in Richtung des Pfeiles X in Fig. 3, wobei der Rotor weggelassen ist.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Radialkolbenpumpe 1 mit einer Steuerwelle 2, die im Gehäuse 3 (nur teilweise dargestellt) feststehend angeordnet ist, und mit einem auf der Steuerwelle 2 drehbar gelagerten Rotor 4. Der Rotor 4 weist mehrere radi­ ale, gestufte Bohrungen auf, von denen zwei 5, 6 zu sehen sind. In den Bohrungen 5, 6 sind im Abschnitt größeren Durch­ messers Kolben 7, 8 verschiebbar angeordnet. An den Kolben 7, 8 sind jeweils Gleitelemente 9, 10 angeordnet, mit denen die Kolben 7, 8 an der inneren Lauffläche 11 eines bezüglich der Steuerwelle 2 konzentrisch angeordneten Hubringes 12 abge­ stützt sind. Axial ist der Rotor 4 durch entsprechende An­ schläge am Gehäuse 3 bzw. an Sicherungsringen festgelegt. Im Gehäuse 3 ist ein Ringraum 13 ausgebildet, in den eine Druck­ mittel-Saugleitung 14 mündet. Der Ringraum 13 ist angrenzend an den Rotor 4 angeordnet. Die Steuerwelle 2 weist an ihrem Außenumfang drei Nuten 15, 16, 17 auf, die im Saugbereich angeordnet sind und die zum Ringraum 13 und zu den Bohrungen 5, 6 hin offen sind. In der Steuerwelle 2 ist zentrisch eine Längsbohrung 18 angeordnet, in die Querbohrungen 19, 20 mün­ den, wobei die Querbohrung 19 axial im Bereich der Bohrungen 5, 6 und die Querbohrung 20 im Bereich einer im Gehäuse 3 ausgebildeten Druckleitung 21 liegen. Die sehr teuren Fein­ passungen zwischen dem Rotor 4 und der Steuerwelle 2 können entfallen, wenn gemäß Fig. 1 Stufenbohrungen vorgesehen wer­ den. Bei richtiger Bemessung der Stufe ergibt sich auch bei größeren Fertigungstoleranzen von Bohrung und Welle ein opti­ maler hydraulischer Dichtspalt zwischen Rotor und Welle. Die automatische Anpassung der Größe der Verlustspalte an die Betriebsbedingungen in Abhängigkeit von mechanischen Kräften (Antrieb), Temperatur, Druck, Drehzahl usw. zur Optimierung der Wirkungsgrade ist in der Hochdruckhydraulik bekannt. Dabei sind "Laufspalte" <1 µm und Teiletoleranzen »1 µm üblich. Die Adaption wird durch eine hydraulische Kompensation der wirksamen Kräfte erreicht: an beiden Teilen werden Flächen so angeordnet, daß gleichgroße, entgegengesetzt gerichtete Kräftepaare entstehen, so daß im Idealfall zwischen den Teilen keine Normalkräfte wirken. Bei richtiger Dimensionierung und Lage dieser "Gegenflächen" besteht - im Falle Rotor - Steuer­ welle - zwischen beiden Teilen eine hydraulischer Ringspalt, d.h. 100% Kompensation. Enge Leckölspalte können zwar auch ohne diesen "Adaptionseffekt" durch hohe Fertigungsgenauigkeit und entsprechend enge Passungen erreicht werden. Dagegen sprechen aber nicht nur die hohen Fertigungskosten und die Gefahr des "Anspringens" (Effekt bei Endmaßen), sondern auch die mangelnde Adaptivität an die wechselnden Betriebsbe­ dingungen und die spezielle Feinstfilterung, die dabei nötig ist.

Bei einem Betrieb der Radialkolbenpumpe 1 gelangt Arbeitsme­ dium von der Saugleitung 14 in den Ringraum 13 und von diesem über die Nuten 15, 16 und 17, die in einem bestimmten Dreh­ bereich vorgesehen sind, in den von der Bohrung 5 gebildeten Arbeitsraum des Kolbens 7. Nach einer bestimmten Weiterdrehung des Rotors 4, während der das Arbeitsmedium vom Kolben 7 verdichtet wird, gelangt die Bohrung 5 in den Bereich einer auf der Steuerwelle 2 ausgebildete Steuerniere 22, die über die Querbohrung 19 mit der Längsbohrung 18 und der Querbohrung 20 in Verbindung steht. Auch an der Querbohrung 20 ist eine Steuerniere 23 vorgesehen, so daß die Verbindung entlang eines bestimmten Drehbereiches besteht. Über die Druckleitung 21 wird das Arbeitsmedium dem Pumpenausgang zugeführt.

Die Fig. 3 und 4 zeigen einen auf einer Steuerwelle 25 angeordneten Rotor 26. Der Rotor 26 weist radial verlaufende Bohrungen 27, 28 auf, in denen Kolben 29, 30 angeordnet sind, die sich an einem (nur teilweise dargestellten) Hubring 31 abstützen. Der Rotor 26 ist auf der Steuerwelle 25 mit ge­ ringem Spiel angeordnet. Die Steuerwelle weist im Ansaugbe­ reich radiale Bohrungen 32, 32 a, 33, 33 a auf, die von einer zentralen Längsbohrung 34 ausgehen. In den radialen Bohrungen 32, 32 a, 33, 33 a sind Kolben 35, 35 a, 36, 36 a angeordnet, die mit Gleitschuhen 37, 37 a, 38, 38 a sowie mit Dichtungen 46, 47 versehen sind. Die Gleitschuhe sind in am Umfang der Steuer­ welle 25 ausgebildeten Ausnehmungen 39, 39 a, 40, 40 a geführt. Der Krümmungsradius der Gleitfläche der Gleitschuhe 37, 37 a, 38, 38 a ist etwas geringer als der Krümmungsradius der Rotor­ bohrung 41. Dadurch ergibt sich der Effekt eines Mehrflächen­ gleitlagers. Zwischen dem Rotor 26 und den Gleitschuhen be­ steht eine hydrodynamische Reibung. Die Gleitschuhe 37, 37 a, sind alternativ mit einer durchgehenden Längsbohrung 42 ver­ sehen, die zur hydrostatischen Entlastung dient. Hierzu ist im zylindrischen Ansatz bzw. Kolben 35, 35 a, 36 der Gleitschuhe eine koaxiale kleine Bohrung 42 vorgesehen, die in einer flachen Tasche 43 in der zylindrischen Fläche des Gleitschuhes mündet. Die Fläche dieser Tasche ergibt im Vergleich zur Fläche des zylindrischen Ansatzes die radiale Anpreßkraft des Gleitschuhes an der Rotorbohrung 41. Die Steuerwelle 25 ist ferner im Saugbereich mit einer Längsnut 44 und im Druckbe­ reich mit einer Druckniere 45 versehen.

Im Betrieb wird über die Längsbohrung 34 unter Druck stehendes Arbeitsmedium den Querbohrungen 32, 32 a, 33, 33 a zugeführt. Dadurch werden die Kolben 35, 35 a, 36, 36 a und damit die Gleitschuhe 37, 37 a, 38, 38 a mit einer Kraft beaufschlagt und gegen die Rotorbohrung 41 gedrückt. Dadurch wird der Rotor 26 im gewünschten Sinne dezentriert.

• Bezugszeichenliste:  1 Radialkolbenpumpe
   2 Steuerwelle
   3 Gehäuse
   4 Rotor
   5, 6 Bohrung
   7, 8 Kolben
   9, 10 Gleitelemente
  11 Lauffläche
  12 Hubring
  13 Ringraum
  14 Druckmittel-Saugleitung
  15, 16, 17 Nut
  18 Längsbohrung
  19, 20 Querbohrung
  21 Druckleitung
  22 Steuerniere
  23 Steuerniere
  25 Steuerwelle
  26 Rotor
  27, 28 Bohrung
  29, 30 Kolben
  31 Hubring
  32, 32 a, 33, 33 a Bohrung
  34 Längsbohrung
  35, 35 a, 36, 36 a Kolben
  37, 37 a, 38, 38 a Gleitschuh
  39, 39 a, 40, 40 a Ausnehmung
  41 Rotorbohrung
  42 Bohrung
  43 Tasche
  44 Längsnut
  45 Druckniere
  46 Dichtung
  47 Dichtung

Claims (11)

1. Radialkolbenpumpe mit einer in einem Gehäuse fest ange­ ordneten Steuerwelle, auf der ein Rotor drehbar gelagert ist, der Zylinder bildende Radialbohrungen aufweist, in denen Kolben angeordnet sind, die mit ihrer nach außen gerichteten Stirnseite an einem zur Steuerwelle exzentrisch angeordneten Hubring abgestützt sind und mit in der Steuer­ welle vorgesehenen Druck- und Saugleitungen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zumindest eine Druck- und/oder Saug­ leitung von zumindest einer am Steuerwellenumfang aus­ gebildeten, radial nach außen offenen Nut (15, 16, 17) gebildet ist, die sich im wesentlichen parallel zur Achse der Steuerwelle (2) erstreckt und die in einem koaxial zur Steuerwelle (2) angeordneten Ringraum (12) mündet.

2. Radialkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Steuerwelle (2) im Inneren nur eine einzige Längsbohrung (18) aufweist.

3. Radialkolbenpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Längsbohrung (18) in der Steuerwelle (2) kon­ zentrisch angeordnet ist.

4. Radialkolbenpumpe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die einzige Längsbohrung (18) die Druck­ leitung ist.

5. Radialkolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten beidseitig der Steuerwelle (2) angeordnet sind.

6. Radialkolbenpumpe mit einer in einem Gehäuse fest ange­ ordneten Steuerwelle, auf der ein Rotor drehbar gelagert ist, der Zylinder bildende Radialbohrungen aufweist, in denen Kolben angeordnet sind, die mit ihrer nach außen gerichteten Stirnseite an einem zur Steuerwelle exzentrisch angeordneten Hubring abgestützt sind und mit in der Steuer­ welle vorgesehenen Druck- und Saugleitungen, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Saugbereich der Steuerwelle (25) Gleit­ schuhe (37, 37 a, 38, 38 a) angeordnet sind, auf denen der Rotor (26) abgestützt ist, und die in radialen Bohrungen (32, 32 a, 33, 33 a) verschiebbar gelagert und von einer vom Druck in der Druckleitung aufgebrachten Kraft beaufschlag­ bar sind.

7. Radialkolbenpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Übertragung des Druckes in der Druckleitung auf die Gleitschuhe (37, 37 a, 38, 38 a) Kolben (35, 35 a, 36, 36 a) vorgesehen sind, die insbesondere einstückig mit den Gleitschuhen ausgebildet sind.

8. Radialkolbenpumpe nach Anspruch 6 oder 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Gleitschuhe (37, 37 a, 38, 38 a) von im wesentlichen axial verlaufenden Leisten gebildet sind.

9. Radialkolbenpumpe nach Anspruch 6 oder 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Gleitschuhe von schraublinienförmigen Leisten gebildet sind.

10. Radialkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Rotor (26) zugewandte Fläche der Gleitschuhe (37, 37 a, 38, 38 a) einen Krümmungs­ radius aufweisen, der etwas kleiner ist als der Radius der Rotorbohrung (41).

11. Radialkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitschuhe (37, 37 a) sowie ggf. zur Druckübertragung vorgesehene Kolben (35, 35 a, 36, 36 a) eine durchgehende Bohrung (42) aufweisen, die an der dem Rotor (26) zugewandten Oberfläche mündet.