DE4105092C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Axialkolbenpumpe der im Ober­ begriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.

Aus der EP-A-02 57 621 ist eine derartige Axialkolbenpumpe bekannt, bei der eine in einem druckdichten Gehäuse drehbar gelagerter Zylindertrommel mehrere auf einem Kreis gleich­ mäßig verteilte achsparallele Zylinderbohrungen aufweist. In jeder Zylinderbohrung ist ein Kolben aufgenommen, der einen in der Zylinderbohrung axial verschiebbaren zylin­ drischen Schaft, eine mit diesem Schaft einstückig verbun­ den schmalere Kolbenstange und an deren Ende eine Lager­ kugel aufweist. Die Lagerkugel ist in einer scheibenförmi­ gen Kolbenhalterung gelagert, die am freien Ende einer Antriebswelle drehfest und formschlüssig befestigt ist. Die Rotation der Antriebswelle wird über die Kolbenhalte­ rung und die Kolben auf die Zylindertrommel übertragen, deren Längsachse zur Achse der Antriebswelle unter einem spitzen Winkel geneigt ist. Dabei erfüllen die Kolben zwei Funktionen, und zwar primär die Pumparbeit und sekun­ där die Drehmomentübertragung. Aufgrund des Neigungswinkels zwischen der Schrägscheibe bzw. der Zylindertrommel und der Antriebswelle treten Präzessionsbewegungen der Kolben gegenüber der Zylinderbohrung auf, die zu einer ungleich­ mäßigen Drehmomentübertragung und zu einer unerwünscht hohen Belastung der Kolbenköpfe sowie der Innenflächen der Zylinderbohrungen führen.

Zur Überwindung dieses Problems weist eine bekannte Axial­ kolbenpumpe gemäß JP-B-59-5 794 Kolben mit zylindrischen Schäften zur Übertragung der Antriebskraft auf. Jeder zylindrische Schaft hat eine in Axialrichtung gewölbte Mantelfläche, um den Flächenkontakt mit der Wandung der Zylinderbohrung zu verringern. Auch bei dieser Ausführung wird das Drehmoment der Antriebswelle nur in vorbestimmten Drehlagen der Kolben auf die Zylindertrommel übertragen, was zur Folge hat, daß die Kolben zyklisch auftretenden hohen Belastungen ausgesetzt sind und die mechanischen Schwingungen der Pumpe zunehmen. Darüber hinaus führt das Anschlagen der Kolben an den Wänden der Zylinder­ bohrungen zu Beschädigungen der Zylindertrommel und ggf. zu einer Leistungsabnahme sowie zu Leckagen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Axialkolbenpumpe der angegebenen Gattung zu schaffen, die konstruktiv einfach und kompakt ausgebildet ist und einen schwingungsarmen Betrieb bei vermindertem Verschleiß ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Durch die radial bewegliche Aufnahme und Abstützung der freien Kolbenenden in der Kolbenhalterung wird erreicht, daß die mit ihren relativ langen zylindrischen Schäften in den Zylinderbohrungen der Trommel geführten Kolben an der durch die Schrägstellung der Kolbenhalterung gegen­ über der Trommelachse verursachten Präzessionsbewegung nicht gehindert werden und die bisher auftretenden gering­ fügigen Kipplagen dieser Kolben vermieden werden. Dement­ sprechend können hohe Drehmomente von der Antriebswelle auf die Zylindertrommel bzw. die Kolbenhalterung mit einer verringerten Kolbenanzahl übertragen werden, ohne daß lokale Belastungskonzentrationen an den Kolbenschäften oder den Wandungen der Zylinderbohrungen auftreten. Ins­ gesamt wird auf diese Weise ein schwingungsarmer Betrieb der Axialkolbenpumpe erzielt. Da die Antriebskolben neben ihrer Drehmoment-Übertragungsfunktion auch als normale Pumpkolben wirksam sind, ergibt sich keine Beeinträchtigung der Förderleistung der Pumpe.

In den Unteransprüchen sind zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung für Hochdruck- und Nieder­ druck-Axialkolbenpumpen angegeben.

Weitere Vorteile der Erfindung sind der Be­ schreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung entnehmbar. Es zeigen:

Fig. 1 eine Hochdruck-Axialkolbenpumpe im Längs­ schnitt;

Fig. 2 die Kolbenhalterung im Querschnitt 11-11:

Fig. 3 eine Seitenansicht der Kolbenkopfhalterung mit dem Endteil einer Zylindertrommel;

Fig. 4 eine Niederdruck-Axialkolbenpumpe im Axial­ schnitt;

Fig. 5 ein Diagramm der geometrischen Orte der Kolben.

Im folgenden werden anhand der Fig. 5 die besonderen Gegeben­ heiten bei Axialkolbenpumpen mit Drehmomentübertragung durch die Kolben erörtert. Aufgrund der relativen Schräg­ lage zwischen der Kolbenhalterung und der Zylindertrommel bewegen sich die an der Kolbenhalterung gelenkig abgestützten Kolbenenden nicht auf einer kreisförmigen, sondern auf einer elliptischen Umlaufbahn, die in Fig. 5 eingezeichnet ist. Dies führt zu Präzessionsbewegungen jedes Kolbens in seiner Zylinderbohrung, wodurch die Kolben an den in Fig. 5 mit Pfeilen bezeichneten Stellen in Druckkontakt mit der Bohrungswandung gelangen. Eine wirksame Drehmoment­ übertragung von den Kolben auf die Zylindertrommel kann nur in solchen Phasen erfolgen, in denen die Kolben gegen­ über ihrer Zylinderbohrung in Drehrichtung P Präzession haben, was gemäß Fig. 5 für die in den Quadranten I und 111 befindlichen Kolben zutrifft.

Die in Fig. 1 dargestellte Axialkolbenpumpe enthält einen Pumpenkörper 1, der aus einem etwa becherförmigen Gehäuse 3 und einem Deckel 2 besteht. Im Deckel 2 sind ein Saug­ kanal 2a und ein Druckkanal 2b vorgesehen. Auf einer mittig im Deckel 2 befestigten Trommelwelle 4 sind eine Zylinder­ trommel 6 und eine Ventilplatte 5 drehbar gelagert.

Die Zylindertrommel 6 weist eine zentrale Bohrung 6b zur Aufnahme der Trommelwelle und insgesamt sechs Zylinder­ bohrungen 6a auf. Diese Zylinderbohrungen 6a sind achs­ parallel zur Zentralbohrung 6b und winkelversetzt auf einem Kreis angeordnet. Jede Zylinderbohrung 6a mündet an einem Trommelende auf der Seite der Ventilplatte 5 in eine schmale Durchgangsbohrung aus. Die Ventilplatte 5 ist am Deckel 2 befestigt und weist Durchgangsbohrungen auf, die mit dem Saugkanal 2a und dem Druckkanal 2b kommuni­ zieren.

An der dem Deckel 2 entgegengesetzten Seite ist eine An­ triebswelle 7 angeordnet, an derem Ende eine scheibenförmige Kolbenhalterung konzentrisch ausgebildet ist. Das Gehäuse 3 hat eine halbkugelförmige innere Bodenfläche 12, die eine zur Mittenachse versetzte Durchgangsöffnung aufweist. Die Antriebswelle ragt durch diese Durchgangsöffnung in den Pumpenkörper 1 und ist zur Drehachse der Trommel 6 unter einem Winkel R (Fig. 1) geneigt.

Zur drehbaren Halterung der Antriebswelle 7 ist am Gehäuse­ boden ein halbkugelförmiger Gleitklotz 10 abgestützt, der mit einem axialen Ansatz die Durchgangsöffnung im Gehäuseboden durchragt. Die Antriebswelle 7 ist über ein Nadellager 8 und ein Rollenlager 9 im Gleitklotz 10 ge­ lagert und durch eine Verschiebung dieses Gleitklotzes 10 an der Bodenfläche 12 verschwenkbar.

Zwischen der Zylindertrommel 6 und der Antriebswelle 7 ist eine zylindrische Stange 13 angeordnet, dessen schaft­ förmiger zylindrischer Abschnitt zusammen mit einer Druck­ feder 14 verschiebbar in die Zentralbohrung 6b eingreift und an seinem vorstehenden Ende einen Kugelkopf 13 trägt, der in einer zentralen Ausnehmung 7b der Kolbenhalterung 7a verdrehbar aufgenommen ist. Die Feder 14 hält den Kugel­ kopf 3 ständig in der Ausnehmung 7b und drückt gleichzeitig die Zylindertrommel 6 gegen die Ventilplatte 5.

In den jeweiligen Bohrungen 6a der Zylindertrommel 6 sind zwei Arten von Kolben angeordnet. Zwei in diametral gegen­ überliegenden Bohrungen 6a angeordnete Antriebskolben 15 haben einen zylindrischen Schaft und an ihrem vor­ stehenden Endteil einen kugelförmigen Kopf 15a. In der Kolbenhalterung 7a der Antriebswelle 7 sind zwei diametral gegenüberliegende Gleitnuten 7c zur Halterung der kugel­ förmigen Köpfe 15a ausgebildet. Wie Fig. 2 zeigt, ver­ laufen diese Gleitnuten 7c in der Kolbenhalterung 7a nach radial außen und haben gemäß Fig. 3 eine halbkreisförmige Bodenfläche, deren Form dem kugelförmigen Kopf 15a ange­ paßt ist. Der kugelförmige Kopf 15a jedes Antriebskolbens 15 ist in der zugehörigen Gleitnut 7c aufgenommen und läuft mit der Kolbenhalterung 7a um. In diesem Zustand ist jeder kugelförmige Kopf 15a in bezug auf die Kolben­ halterung 7a drehbar und radial verschiebbar, wird jedoch an einer Bewegung in Axialrichtung gehindert. Im übrigen kann die Konstruktion zur Halterung der Antriebskolben derjenigen eines Universalgelenks gemäß US-PS 48 94 045 entsprechen, auf die hiermit Bezug genommen wird.

In den übrigen Zylinderbohrungen 6a sind weitere Kolben 16 angeordnet. Jeder dieser Kolben 16 hat einen in seiner Zylinderbohrung 6a gleitenden Kopf 17 mit einer Ringdichtung und an seinem aus der Zylinderbohrung 6a vorstehenden Ende einen kugelförmigen Kopf 16a. Die Mantelfläche des in der Zylinderbohrung 6a gleitenden Kopfes 17 ist eben­ falls kugelförmig ausgebildet. Die Kolbenstange zwischen den endseitigen Kolbenköpfen hat einen ausreichend kleine­ ren Durchmesser als der Innendurchmesser der Zylinderbohrung 6a. Somit kann jeder Kolben 16 in seiner Zylinderbohrung geringfügig verkippt werden, wobei die Umfangsfläche seines pumpseitigen Kopfes in dichtem Kontakt mit der Wand der Zylinderbohrung 6a gehalten ist. Die Kolbenhalterung 7a weist halbkugelige Ausnehmungen auf, in denen die kugel­ förmigen Köpfe 16a der Kolben gelenkig gehalten sind.

Wenn die Antriebswelle 7 dreht, wird ihr Drehmoment auf die Zylindertrommel 6 durch die Kolbenhalterung 7a und die Antriebskolben 15 übertragen. Auf diese Weise wird die Kolbentrommel 6 synchron angetrieben und die aus­ schließlich Pumparbeit verrichtenden Kolben 16 werden gemeinsam mitgenommen. Durch die Drehung der Kolbenhalte­ rung 7a und der gegenüber dieser schräggestellten Zylin­ dertrommel 6 ergeben sich Hin- und Herbewegungen der Kol­ ben 15 und 16 in der Zylindertrommel, da deren kugelförmi­ ge Köpfe 15a und 16a in der Kolbenhalterung 7a axial fest­ gelegt sind.

Wenn der Neigungswinkel 9 der Kolbenhalterung 7a geändert wird, ergibt sich eine Differenz zwischen dem Teilkreis der Zylinderbohrungen 6a und dem Teilkreis der kugelförmigen Köpfe 15a der Kolben 15. Diese Lagedifferenz wird bei den Antriebskolben 15 durch eine Verlagerung seines kugel­ förmigen Kopfes 15a in der radialen Gleitnut 7c kompen­ siert, so daß die Schaftabschnitte dieser Antriebskolben 15 in gleichbleibendem Flächenkontakt mit den jeweiligen Zylinderbohrungen 6a ohne Schrägstellung gehalten werden. Dementsprechend können diese Antriebskolben 15 ihre Kolben­ funktion erfüllen und gleichzeitig das Drehmoment von der Antriebswelle 7 auf die Zylindertrommel 6 gleichmäßig übertragen. Daneben wird von den reinen Pumpkolben 16 diese Lagedifferenz durch eine Verdrehung seines Kolben­ kopfes in seiner zugehörigen Zylinderbohrung 6a kompen­ siert, wobei sich dieser Kolben gegenüber der Zylinder­ bohrung 6a geringfügig schrägstellt. Da jeder dieser Kol­ ben eine schmale Kolbenstange aufweist, wird ein Anschlagen der Kolben an der Wandung seiner Zylinderbohrung 6a ver­ mieden.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Hochdruck-Verstellpumpe kann die Schräglage der Kolbenhalterung 7a gegenüber der Zylindertrommel 6 durch eine seitliche Verschiebung der Antriebswelle 7 verstellt werden. Entsprechend dieser Schräglage ändert sich der jeweilige Kolbenhub und damit auch die Fördermenge der Pumpe. Zur Begrenzung der Schräg­ lage bzw. des Neigungswinkels ist in der Durchgangsöffnung am Gehäuseboden ein Anschlag 3a vorgesehen, der eine seit­ liche Verschiebung des Gleitklotzes 10 auf maximal 20° begrenzt.

Bei dieser Hochdruck-Axialkolbenpumpe werden übermäßige Kräfte bei der Drehmomentübertragung gleichmaßig verteilt bzw. absorbiert, wodurch mechanische Schwingungen vermin­ dert werden. Da die Drehmomentübertragung durch einige der Pumpenkolben erfolgt, ergibt sich ein kompaktes Pumpen­ aggregat mit einfachem konstruktivem Aufbau.

In Fig. 4 ist eine Niederdruck-Axialkolbenpumpe dargestellt, die ein etwa becherförmiges Gehäuse 30 mit einem Deckel 20 enthält. Eine Antriebswelle 70 verläuft koaxial durch den Boden des Gehäuses 30 und ist im Boden sowie im Deckel 20 über Nadellager 80 und 90 gelagert. Das Nadellager 80 ragt geringfügig in den Gehäuseinnenraum hinein. Auf einem Endabschnitt der Antriebswelle 70 ist im Gehäuse 30 eine Zylindertrommel 60 drehfest befestigt, die stirn­ seitig an einer mit dem Deckel 20 fest verbundenen Ventil­ platte 50 anliegt. Die Zylindertrommel 60, der Deckel 20 und die Ventilplatte 50 entsprechen den Bauteilen des ersten Ausführungsbeispiels gemaß Fig. 1 bis 3 und werden nicht erneut beschrieben.

Eine Kolbenhalterung 102 ist schwenkbar über ein Kugel­ gleitlager 101 auf einem Zwischenabschnitt der Antriebs­ welle 70 angeordnet. Die Zylindertrommel 60 weist mehrere Zylinderbohrungen 60a auf, in die zwei Antriebskolben 150 und weitere Pumpkolben 160 verschiebbar eingesetzt sind. Die Antriebskolben 150 und die Kolben 160 weisen an ihren freien Enden kugelförmige Köpfe 150a und 160a auf, die in der Kolbenhalterung 102 aufgenommen sind. Die Kolben 150, 160 und auch die Kolbenhalterung 102 mit den Gleitnuten für die Antriebskolben und den kugelschalen­ förmigen Ausnehmungen zur Halterung der weiteren Kolben können in gleicher Weise wie beim ersten Ausführungsbei­ spiel ausgebildet sein. Eine Druckfeder 100 umgibt die Antriebswelle 70 zwischen dem Kugelgleitlager 101 und der Zylindertrommel 60, so daß die Zylindertrommel 60 ständig gegen die Ventilplatte 50 gedrückt wird. An der Rückseite der scheibenförmigen Kolbenhalterung 102 ist eine Schrägplatte 110 angeordnet, die ein zylindrisches Bauteil mit einer unter einem vorbestimmten Winkel 9 geneigten Schrägfläche ist. Auf dieser Schrägfläche stützt sich die Rückfläche der Kolbenhalterung 102 ab, so daß auch die Kolbenhalterung 102 unter dem Winkel 9 zur Achse der Zylindertrommel 60 schräg steht. Die Schrägplatte 110 sitzt mit ihrem Innendurchmesser im Paßsitz auf dem in das Gehäuseinnere hineinragenden Teil des Nadellagers 80 und ist am Gehäuseboden über einen Fixierbolzen 103 od. dgl. befestigt.

Bei dieser Axialkolbenpumpe nach Fig. 4 dreht die Zylinder­ trommel 60 gemeinsam mit der Antriebswelle 70, wobei das Drehmoment von der Zylindertrommel 60 auf die Kolben­ halterung 102 über die beiden Antriebskolben 150 über­ tragen wird, so daß die Kolbenhalterung 102 synchron mit der Antriebswelle auf der Schrägplatte 110 rotiert. Dabei führen die Kolben in ihren Zylinderbohrungen 60a hin- und her gehende Bewegungen aus. Die Axialkolbenpumpe nach Fig. 4 ist eine Konstantpumpe, weil die Stirnfläche der Schrägplatte 110 eine unveränderliche Neigung hat. Zum Ändern der Förderleistung der Pumpe können Schräg­ platten mit jeweils verschiedener Neigung ihrer Stirn­ fläche eingebaut werden. Wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bis 3 erfolgt auch bei der vorstehend be­ schriebenen Axialkolbenpumpe kein seitliches Anschlagen der Kolben an den Bohrungswandungen und das Drehmoment wird von den beiden Antriebskolben auf die Kolbenhalterung übertragen. Eine derartige Axialkolbenpumpe hat bei ge­ ringen Gesamtabmessungen einen geräuscharmen Lauf und läßt sich mit kleinen Gesamtabmessungen auf einfache Weise herstellen. Der Einbau der Schrägplatte 110 ist ebenfalls relativ einfach, weil sie auf einem Teil des Nadellagers 80 positioniert wird.

Die Pumpenkörper, d. h. das Pumpengehäuse und auch der Deckel werden in der Regel aus Metall, beispielsweise einer Leichtmetallegierung, hergestellt, es sind jedoch zur weitergehenden Gewichtsverringerung der Pumpe auch Kunststoffe einsetzbar.

Claims (8)

1. Axialkolbenpumpe, bestehend aus

• - einer in einem Gehäuse (1) gelagerten Antriebswelle (7),
• - einer drehbaren Zylindertrommel (6) mit mehreren achsparallel um die Trommelachse angeordneten Zylinder­ bohrungen (6a),
• - mit einer zwischen dem Gehäusedeckel (2) und der Zylindertrommel (6) angeordneten Ventilplatte (5) zum Steuern der Saug- und Druckphasen,
• - einer Einrichtung zum synchronen Antrieb der Zylinder­ trommel (6) durch die Antriebswelle (7),
• - in den Zylinderbohrungen (6a) verschiebbar angeordneten Kolben (15, 16) und
• - einer auf der Antriebswelle (7) schräg zur Zylinder­ trommelachse angeordneten Kolbenhalterung (7a) zur schwenkbaren Abstützung der freien Kolbenenden, dadurch gekennzeichnet, daß
• - die Einrichtung zum Antrieb der Zylindertrommel (6) von zwei (15) der Kolben (15, 16) gebildet wird, von denen jeder einen in der zugehörigen Zylinder­ bohrung (6a) in Flächenkontakt geführten zylindri­ schen Schaft aufweist und mit seinem freien Ende (15a) in der Kolbenhalterung (7a) radial beweglich gehalten ist.

2. Axialkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Antriebskolben (15) diametral gegenüber­ liegend in der Zylindertrommel (6) angeordnet sind.

3. Axialkolbenpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die anderen Kolben (16) einen Kopf (17) mit sphäri­ scher Umfangsfläche aufweisen, welcher über eine schlanke Kolbenstange mit einer in einer kugelförmigen Ausnehmung der scheibenförmigen Kolbenhalterung (7a) gelagerten Kugel (16a) fest verbunden ist.

4. Axialkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende (15a) der beiden Antriebskolben (15) kugelförmig ausgebildet und in einer radialen Gleitnut mit halbkugelförmigem Querschnitt in der Kol­ benhalterung (7a) gehalten ist.

5. Axialkolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (7) unter einem verstellbaren Winkel schräg zur Drehachse der Zylindertrommel ange­ ordnet und in einem Gleitklotz (10) mit sphärischer End­ fläche gelagert ist und daß die am Gleitklotz (10) axial abgestützte Kolbenhalterung (7a) am freien Ende der Antriebswelle (7) einstückig ausgebildet ist.

6. Axialkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylindertrommel (6) auf einer im Gehäusedeckel (2) fixierten Trommelwelle (4) gelagert ist und daß eine um die Trommelwelle (4) angeordnete Druckfeder (14) die Zylindertrommel (6) gegen die Ventilplatte (5) und gleichzeitig eine zylindrische Stange (13) mit kugel­ förmigem Kopf (13a) in eine zentrale Ausnehmung in der Kolbenhalterung (7a) drückt.

7. Axialkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylindertrommel (60) auf der Antriebswelle (70) koaxial und verschiebbar angeordnet ist, daß die Kolbenhalterung (102) auf der Antriebswelle (70) über ein Kugelgleitlager (101) drehbar und schwenkbar ange­ ordnet ist und daß die beiden Antriebskolben (150) das Drehmoment von der Zylindertrommel (60) auf die an einer Schrägscheibe (110) im Gleitkontakt abgestützte Kolbenhalterung übertragen.

3. Axialkolbenpumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kugelgleitlager (101) und der Zylinder­ trommel eine die Antriebswelle umgebende Druckfeder (100) angeordnet ist.