DE3641955A1 - Kolbenmaschine (pumpe oder motor) - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Kolbenmaschine nach der Gattung des Hauptanspruchs. Die Steuerquerschnitte derartiger bekannter, soge­ nannter schiebergesteuerter Kolbenmaschinen, insbesondere Pumpen, mit üblicher Umsteuergeometrie werden in den Totpunkten innerhalb sehr kurzer Zeiten erst entgegen der Förderrichtung (Druckausgleichs­ strömung infolge der Kompressibilität des Druckmediums) und dann in Förderrichtung durchströmt. Die hohen Druckdifferenzen bei den Druckausgleichsvorgängen bewirken in den Vorsteuernuten Strömungsge­ schwindigkeiten, die mehrere hundert Meter pro Sekunde betragen können. Die Masse des strömenden Druckmediums ist zwar gering, trotzdem kann die Bewegungsenergie für die schnellen Umsteuervor­ gänge nicht vernachlässigt werden. Sie bewirkt jeweils eine verzö­ gerte Anpassung der Strömungsgeschwindigkeiten an Änderungen im Druckgefälle bzw. in der Druckrichtung. Das hat insbesondere den Nachteil, daß beim Druckwechsel von der Hochdruck- zur Niederdruck­ seite (bei Pumpen im inneren Totpunkt) noch über einen kurzen Zeit­ punkt Druckmedium aus dem Zylinder auf die Niederdruckseite strömt, auch wenn der Zylinderdruck schon unter das Niveau des Niederdrucks gefallen ist. Beim Druckwechsel von der Niederdruck- zur Hochdruck­ seite (bei Pumpen im äußeren Totpunkt) strömt über einen kurzen Zeitpunkt noch Druckmittel aus der Hochdruckleitung in den Zylinder, auch wenn der Zylinderdruck schon über das Niveau des Hochdrucks an­ gestiegen ist. Dies führt zu einer Verfälschung des Druckverlaufs sowie zu einer Verschlechterung der Zylinderfüllung. Beides erhöht die Geräuschemission der Pumpe und die Förderstrompulsation.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Kolbenmaschine mit den kennzeichnenden Merk­ malen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß Zylinder­ füllung und Geräuschverhalten der Maschine verbessert werden. Wesentlich ist dabei die Trennung der Druckausgleichsvorgänge von den Fördervorgängen im Umsteuerbereich. Insbesondere ergibt sich der Vorteil, daß - bezogen auf den inneren Totpunkt - der Druckabbau des Zylinderraums über den Querschnitt eines besonderen Kanals erfolgt. Durch rechtzeitiges Verschließen dieses Querschnitts wird das uner­ wünschte Weiterströmen, das infolge der Bewegungsenergie des Strahls bei bekannten Pumpen auftritt, unterbunden. Im äußeren Totpunkt er­ folgt der Druckaufbau im Zylinderraum über die nächst folgende Kanalmündung. Durch rechtzeitiges Verschließen dieses Querschnitts wird auch hier das unerwünschte Weiterströmen verhindert, und das Ausströmen kann über die Vorsteuernut zum richtigen Zeitpunkt be­ ginnen. Drucküberhöhung im Zylinder wird verhindert.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale möglich.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung anhand einer Radialkolbenpumpe näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Radialkolbenpumpe, die Fig. 2 bis 5 Abwicklungen von Steuer­ zapfen, Fig. 6 eine Abwandlung einer Einzelheit.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist mit 1 das Gehäuse einer Radialkolbenpumpe bezeichnet, das durch einen Deckel 2 verschlossen ist. In einer mittigen Bohrung 3 des Deckels ist ein Steuerzapfen 4 eingepreßt, auf dem ein Zylin­ derkörper 5 rotiert, welcher in einer im Gehäuse 1 angeordneten Lagerstelle 6 gelagert ist und über einen Zapfen 7 von einer nicht dargestellten Antriebsmaschine angetrieben ist.

Im Zylinderkörper sind mehrere radialverlaufende Zylinderbohrungen 8 ausgebildet, in denen Kolben 9 dicht gleitend angeordnet sind, welche sich über Gleitschuhe 10 an der Innenfläche eines Hubrings 11 abstützen. Dieser ist mittels eines Gleitschuhs 14 und einer mit diesem zusammenwirkenden Gewindespindel 15, die in einem Fortsatz 16 des Gehäuses angeordnet ist und mittels eines Handrads 17 quer zum Steuerzapfen verschiebbar.

Im Steuerzapfen 4 sind zwei - und hierbei wird insbesondere auf die Fig. 2 bis 5 verwiesen - Steuerschlitze 19, 20 ausgebildet, die in derselben radialen Ebene verlaufen und im Bereich der Mündungen 13 der Zylinderbohrungen 8 liegen. In den Steuerschlitz 19 mündet eine im Steuerzapfen 14 axial verlaufende Bohrung 21, in den Steuer­ schlitz 20 mündet ebenfalls eine axial im Steuerschieber 4 verlau­ fende Bohrung 22. Der Steuerschlitz 19 ist der Hochdruck-Steuer­ schlitz, der Steuerschlitz 20 der Niederdrucksteuerschlitz.

An der in Drehrichtung des Rotors gelegenen Stirnseite des Steuerschlitzes 19 ist eine kurze, dreieckförmige Steuernut 24 ausgebildet, eine ebensolche Steuernut 25 befindet sich am Steuerschlitz 20. Sie liegen beide auf der Längsachse der Steuerschlitze. Etwa in der Mitte des äußeren Totpunkts AT, aber versetzt zur Achse des Steuerschlitzes 19, befindet sich die Mündung 26 eines Kanals 27, der im Steuerzapfen ausgebildet ist und etwa in der Mitte des Steuerschlitzes 19 in diesen mündet. Eine ebensolche Mündung 28 befindet sich in der Mitte des inneren Totpunkts IT und ebenfalls in derselben radialen Ebene wie die Mündung 26 des Kanals 27. Von der Mündung 28 verläuft im Steuerzapfen ein Kanal 29 und mündet etwa in der Mitte des Steuerschlitzes 20 in denselben. Im Bereich der Kanalmündungen weist jede Zylinderbohrung 13 - welche in den Figuren strichpunktiert dargestellt sind - eine nutförmige Aus­ nehmung 30 auf. Die Abstände der Kanalmündungen und der Spitzen der Steuernuten 24, 25 bzw. der Durchmesser der Mündung der Zylinderboh­ rung 13 ist so bemessen, daß dann, wenn die Mündung den Hochdruck­ steuerschlitz 19 bzw. Niederdrucksteuerschlitz 20 verläßt, Verbin­ dung von der Steuernut 30 zur Kanalmündung 28 bzw. 26 hergestellt wird, und daß dann, wenn die Ausnehmung 30 die Mündung 28 bzw. 26 eben passiert hat, Verbindung zur nächstgelegenen Steuernut 25 bzw. 24 hergestellt wird. Durch die Ausbildung der Steuernut 30 und der Kanalmündungen 26, 28, die in ihren Querschnitten sehr klein sind - werden die Querschnitte der Kanalmündungen nur über einen Winkelbe­ reich von wenigen Grad geöffnet. Die beschriebenen Maßnahmen haben folgenden Zweck: Der Druckabbau in der Zylinderbohrung 13 erfolgt am inneren Totpunkt IT über die Steuernut 30 und den Kanal 29. Durch rechtzeitiges Verschließen der Kanalmündung und vor dem Zustande­ kommen der Verbindung der Zylinderbohrung 13 zur Steuernut 25 wird das unerwünschte Weiterströmen, das infolge der Bewegungsenergie des Druckmittelstrahls bei herkömmlichem Pumpen auftritt, unterbunden. Das Einströmen in den Niederdruck-Steuerschlitz 20 kann über die Steuernut 25 zum richtigen Zeitpunkt beginnen, weil die Strömung nicht erst "umgedreht" werden muß.

Der Druckaufbau am äußeren Totpunkt AT in der Zylinderbohrung 30 er­ folgt über den Kanal 27. Druckmittel kann aus dem Hochdrucksteuer­ schlitz 19 über diesen Kanal in die Zylinderbohrung 13 eindringen. Durch rechtzeitiges Verschließen der Kanalmündung 26 wird auch hier das unerwünschte Weiterströmen verhindert, und das Ausströmen kann über die Steuernut 30 und die Zylinderbohrung 13 zur Steuernut 24 zum richtigen Zeitpunkt beginnen. Eine Drucküberhöhung in der Zylinderbohrung 13 wird verhindert. Auf diese Weise ist es möglich, bei sogenannten schiebergesteuerten Kolbenpumpen - d. h. Kolben­ pumpen mit einem Steuerzapfen - Geräusch und Förderstrompulsation mit geringem Aufwand zu verbessern.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 unterscheidet sich gegenüber demjenigen nach Fig. 2 lediglich dadurch, daß hier der dem Kanal 29 entsprechende Kanal 29 A Verbindung nicht zum Niederdruckschlitz 20 hat, sondern in das Innere des Gehäuses führt. Der Kanal 27 hat im Prinzip wieder denselben Verlauf, d. h. er mündet in den Hochdruck­ steuerschlitz 19. Wichtig hierbei ist noch, daß die Kanäle 27, 29 möglichst weit weg von den Steuernuten 24, 25 in die Schlitze 17, 20 münden sollen.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 unterscheidet sich gegenüber den oben Beschriebenen dadurch, daß nun am Steuerzapfen 4 beidseits der Steueröffnungen 19, 20 an dessen Umfang verlaufende Nuten 35, 38 ausgebildet sind, die zur Darstellung von Entlastungsdruckdruck­ feldern dienen, worauf aber hier nicht eingegangen ist, da dies nicht erfindungswesentlich ist. Der Kanal 29 B am inneren Totpunkt mündet nun in diese Ringnut 35. Der Druck in der Ringnut 35 beträgt etwa 25 bis 35% des Betriebsdrucks der Pumpe. Da nunmehr der Nut­ druck wesentlich über dem Niveau der Niederdruckseite liegt, wird die unerwünschte Entleerung der Zylinderbohrung 13 durch die Bewe­ gungsenergie des Spritzstrahls verhindert. Ein weiterer Vorteil ist die Verbesserung der Schmierung des Steuerzapfens auf der Trag- und Dichtleiste, sowie eine - gegenüber Entlastung auf Niederdruckniveau­ flexiblere Anpassung der Steuerzeiten und wechselnde Betriebsbe­ dingungen. Der Kanal 27 entspricht wiederum denjenigen Kanälen nach obigen Ausführungsbeispielen.

Ähnlich verhält es sich mit dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5, in welchem lediglich die am Umfang des Steuerzapfens ausgebildeten Nuten anders ausgebildet sind. Beidseits der Steuerschlitze sind nun unterbrochene Nuten 37, 38 bzw. 39, 40 vorgesehen, die jedoch durch im Steuerzapfen ausgebildete Bohrungen 41, 42 miteinander verbunden sind. Der Kanal 29 B dringt dabei in die Bohrung 41 ein, in welcher wiederum ein Druck herrscht, der 25 bis 35% des Betriebsdrucks der Pumpe beträgt. Dadurch ergibt sich wieder genau dieselbe Funktions­ weise wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4.

Wie das Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 zeigt, tritt hier an Stelle der Erweiterung eine zur Bohrung 13 versetzte Bohrung 43 mit ge­ ringem Durchmesser.

Selbstverständlich ist die beschriebene Einrichtung auch bei Axial­ kolbenmaschinen anwendbar. Hier tritt dann anstelle des Steuer­ zapfens 4 - wie allgemein bekannt - ein flacher sogenannter Steuer­ spiegel, der prinzipiell dieselben Steuerschlitze aufweist, d. h. Schlitze, die jetzt in einer flachen Platte ausgebildet sind.

Claims (6)

1. Kolbenmaschine, insbesondere Radialkolbenmaschine, mit in Boh­ rungen eines Rotors (5) gleitenden Kolben (9), der mit einem Steuer­ glied (4) (z. B. Steuerzapfen oder Steuerspiegel) zusammenwirkt, in dem im Bereich der Bohrungen ein Niederdruck- und ein Hochdruck­ steuerschlitz (19, 20) ausgebildet sind, die mit im Steuerglied aus­ gebildeten Steuerkanälen (21, 22) in Verbindung stehen und wobei an der in Drehrichtung des Rotors liegenden Stirnseite jedes Steuer­ schlitzes ein Vorsteuermittel (24, 25) ausgebildet ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß von einer Stelle zwischen den Steuerschlitzen (19, 20) (innerer Totpunkt und äußerer Totpunkt) und seitlich versetzt zu diesen jeweils ein Kanal (27, 29) ausgeht, von denen derjenige (27), der im Bereich des äußeren Totpunkts (AT) liegt, Verbindung zum Hochdrucksteuerschlitz hat, derjenige (29), welcher vom inneren Tot­ punkt (IT) ausgeht, Verbindung zum Niederdruck - Steuerschlitz (20) hat, und daß beide Kanalmündungen (26, 28) kurzzeitig periodisch mit den Kolbenbohrungen (13) in Verbindung treten, bevor diese Verbin­ dung zu den Steuernuten (24, 25) haben.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nieder­ druckraum der Niederdruck-Steuerschlitz (20) ist.

3. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nieder­ druckraum das Maschinengehäuse ist.

4. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nieder­ druckraum eine Ringnut (35) ist, die seitlich versetzt zu den Steuerschlitzen um das Steuerglied herum verläuft und in der ein wesentlich unter dem Förderdruck liegender Druck herrscht.

5. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß jede Kolbenbohrung (8) eine seitlich versetzte Erweiterung (30) bzw. Bohrung (43) aufweist, die mit den Mündungen der Kanäle zusammenwirkt.

6. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Vorsteuermittel (24, 25) Nuten sind.