DE4201257C2 - Regelbare Flügelzellenpumpe mit Druckstück - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine regelbare Flügelzellenpumpe mit verstellbarem Hubring, bei welcher am Hubring eine Stellkraft angreift, die durch Stellglieder ausgeübt wird, von denen eines ein vom Pumpdruck oder einem von diesem abgeleiteten Druck beaufschlagter Stellkolben und das andere ein entgegengesetzt wirkendes elastisches Element, wie z. B. eine Feder ist, wobei am Hubring und/oder den Stellgliedern Mitnehmerelemente für die Mitnahme des Hubringes entsprechend der Bewegung der Stellglieder vorgesehen sind und wobei der Kolben und das elastische Element über ein zwischen Kolben und elastischem Element angeordnetes Druckstück miteinander verbunden sind.

Eine derartige Flügelzellenpumpe ist aus dem US- Patent Nr. 3,642,388 bekannt. Auch aus der DE-OS 33 33 647 ist eine Flügelzellenpumpe mit einigen der vorgenannten Merkmale bekannt. Bei dieser bekannten Pumpe sind als Stellglieder der bereits erwähnte Stellkolben und eine dem Kolben gegenüberliegende Druckfeder in Form einer Schraubenfeder vorgesehen, welche beiderseits eines Mitnehmerzapfens des Hubringes anliegen und einander entgegengesetzte Kräfte auf den Zapfen ausüben. Entsprechend dem jeweiligen Pumpdruck, von welchem der Kolben beaufschlagt wird, stellt sich zwischen den von Kolben und Feder ausgeübten Kräften ein Gleichgewicht ein, so daß der Hubring in der Weise verstellt wird, daß ein durch die Federkraft einerseits und durch den dynamischen Druck im hydraulischen System, welches von der Pumpe versorgt wird, andererseits bestimmter Gleichgewichtszustand eingestellt wird, in welchem die Pumpe bei unveränderten Bedingungen eine konstante Fördermenge unter konstantem Druck fördert.

Derartige Pumpen werden vor allem als Schmiermittelpumpen für Verbrennungsmotoren verwendet, sie können jedoch auch in beliebigen anderen hydraulischen Systemen eingesetzt werden, in welchen eine automatische Regelung des Fördervolumens in Abhängigkeit vom Pumpdruck erwünscht ist.

Es versteht sich im übrigen, daß anstelle des Kolbens auch ein beweglicher Zylinder als Stellglied vorgesehen werden könnte, wenn auch aus Gründen einer einfacheren Herstellung ein Stellkolben im allgemeinen bevorzugt sein dürfte. Ebenso muß das dem Stellkolben entgegenwirkende elastische Element nicht notwendigerweise eine Druckfeder oder eine Schraubenfeder sein, sondern kann ein beliebiges federndes Element sein, beispielsweise auch eine Gasdruckfeder, eine Blattfeder oder ein sonstiges federndes Element, welches eine zunehmenden Verschiebung des Stellkolbens ab einem bestimmten Druck bei geringfügig ansteigender und möglichst konstanter Gegenkraft zuläßt. Eine relativ geringe Verschiebung des Stellkolbens senkt bereits das Fördervolumen spürbar ab, so daß die Pumpe ohne starke Druckänderungen mit variabel angepaßten Fördervolumina arbeitet.

Da mit derartigen Pumpen erhebliche Drücke bis z. B. etwa 50 bar erreicht werden können, sind auch die von dem Stellkolben und von einer entsprechend auszuwählenden starken Druckfeder auf einen solchen Mitnehmerzapfen bzw. den Hubring ausgeübten Kräfte relativ groß, zumal der Kolben in seinem Querschnitt nicht zu klein ausgeführt werden darf, damit er schnell auf sich ändernde Bedingungen im Förderkreislauf reagiert. Dies kann einen erheblichen Verschleiß an den Stellgliedern, insbesondere jedoch an den Mitnehmerelementen mit sich bringen, die am Hubring vorgesehen sind, wie z. B. an dem bereits erwähnten Mitnehmerzapfen.

Um diesem Problem aus dem Weg zu gehen, sind die Hubringe derartiger Flügelzellenpumpen in der Vergangenheit regelmäßig aus einem Material hergestellt worden, welches den von den Stellgliedern ausgeübten Kräften standhält, d. h. im allgemeinen aus gehärtetem Stahl oder Gußeisen. Für eine preiswerte Herstellung derartiger, beispielsweise im Automobilbau in großen Stückzahlen benötigter Flügelzellenpumpen, erscheint es jedoch wünschenswert, den Hubring aus einem leichter zu formenden und/oder leichter zu bearbeitenden Material herzustellen, wie z. B. aus Aluminiumdruckguß, was überdies auch eine Gewichtsersparnis mit sich bringt. Ein solcher Hubring bzw. die im allgemeinen einstückig mit einem solchen Hubring ausgebildeten Mitnehmerelemente würden jedoch auf Dauer den von den Stellgliedern auf sie ausgeübten Kräften nicht standhalten, so daß aufgrund von Abrieb- und Verschleißproblemen die ordnungs­ gemäße Funktion der Pumpe, welche im allgemeinen die Lebensdauer eines Motors ohne jede Wartung überstehen sollte, nicht gewährleistet wäre.

Bei der aus dem US-Patent Nr. 3,642,388 bekannten Flügelzellenpumpe ist das eine Stellglied, nämlich der Kolben, über seinen Angriffspunkt am Mitnehmerzapfen eines Hubringes hinaus verlängert und das Ende dieser Verlängerung tritt direkt mit der Feder, welche das zweite, entgegenwirkende Stellglied bildet, in Kontakt. Dabei bildet die den Mitnehmerzapfen des Hubringes überbrückende Verlängerung im Sinne der vorliegenden Anmeldung ein Druckstück, da die zwischen Kolben und Feder wirkenden, relativ starken Kräfte, unmittelbar zwischen diesen beiden Stellgliedern übertragen werden, während der Mitnehmerzapfen lediglich in einer seitlichen Aussparung des Kolbens mitgeführt wird und allenfalls die beim Pumpen von den inneren Flügelzellen her wirkenden Reaktionskräfte aufnehmen muß.

Ein ähnliches Stellglied ist auch aus der Figur der deutschen Patentschrift Nr. 7 00 584 für eine Kugelkolbenpumpe zu entnehmen. Auch dort ist der Stellkolben über seine eine Angriffsfläche an einem Lagerzapfen hinaus verlängert, und zwar an dem Lagerzapfen vorbeiführend und diesen umgreifend, wobei die entgegenwirkende Feder am anderen Ende mit dieser Verlängerung in Kontakt tritt. Effektiv ist auch hier in dem Stellkolben eine seitliche Aussparung für die Aufnahme des Lagerzapfens vorgesehen. Einen ähnlichen, jedoch komplizierteren Aufbau zeigt die DE-OS 29 25 236.

In der US-A-4,643,349 ist eine Vorrichtung dargestellt und beschrieben, bei welcher separat von dem Kolben ein zusätzliches Gleitelement vorgesehen ist, welches ähnlich wie die Kolbenver­ längerungen aus den oben diskutierten Druckschriften eine seitliche Aussparung aufweist, während das eine Ende dieses Gleitelementes mit dem Kolben und das andere Ende mit der Feder in Kontakt tritt.

Ein Nachteil all dieser Ausführungsformen liegt darin, daß man erhebliche Mühe darauf verwenden muß, den Mitnehmerzapfen spielfrei in einer seitlichen Ausnehmung eines Kolbens bzw. einer Kolbenverlängerung oder eines getrennten Gleitteiles aufzunehmen. Da die Schwenkbewegung des Hubringes zwangsweise auch eine Querbewegung des Mitnehmerzapfens bezüglich der Bewegungsrichtung der Stellglieder mit sich bringt, muß für einen spielfreien Eingriff zwischen Mitnehmerzapfen und der betreffenden Aussparung die Aussparung mit exakt parallelen, gegenüberliegenden Wandflächen hergestellt werden und der Mitnehmer muß als Eingriffsfläche mit diesen ebenen Flächen exakt kugelförmige oder zylindrische Flächen aufweisen mit einem Radius, welcher gerade dem halben Abstand der gegenüberliegenden, parallelen Flächen der Aussparung entspricht. Im Falle von Zylinderflächen muß auch noch die Achse dieser Zylinderflächen exakt parallel zu den Flächen der Aussparung ausgerichtet sein. Dies erfordert einen sehr großen Aufwand bei der Herstellung. Falls nämlich der Eingriff zwischen Mit­ nehmerzapfen und den Flächen der entsprechenden Aussparungen nicht spielfrei erfolgt, so kann es sehr leicht zu schädlichen Vibrationen der Pumpe kommen, die nicht nur das Regelverhalten negativ beeinflussen, sondern auch zu einem schnellen Verschleiß führen. Auch eine zu enge Passung führt zu Reibungsverlusten und Verschleiß. Ein derartiger Verschleiß ist jedoch für in Kraftfahrzeugmotoren zu verwendende Schmiermittelpumpen untragbar, da ein Ausfall einer Schmiermittelpumpe erhebliche Folgeschäden nach sich ziehen kann.

Gegenüber dem vorstehend diskutierten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Flügelzellenpumpe nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 so weiter zu bilden, daß einerseits der Mitnehmerzapfen auch weiterhin keinen starken mechanischen Belastungen ausgesetzt ist und daß dennoch ohne großen herstellungstechnischen Aufwand ein spielfreier Eingriff zwischen den Stellgliedern und dem Mitnehmerzapfen sichergestellt ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Mitnehmerzapfen eine mit der Wirkrichtung der Stellglieder fluchtende Bohrung aufweist, welche das Druckstück durchgreift, daß das Druckstück auf seiner mit der Feder in Eingriff tretenden Seite einen ebenen oder das Federende aufnehmenden, hohlzylindrischen Abschnitt und auf seiner mit der Stirnfläche des Kolbens in Eingriff tretenden Seite ein abgerundetes Ende aufweist, wobei das Druckstück in der Bohrung des Mitnehmerzapfens gegen axiale Verschiebung fixiert ist.

Diese Ausgestaltung erfordert nicht die Einhaltung extremer Herstellungstoleranzen, da das im Mitnehmerzapfen fixierte Druckstück durch die Feder unmittelbar gegen die Stirnfläche des Kolbens gedrückt wird. Jegliches Spiel ist damit in allen Betriebszuständen ausgeschlossen. Um die beim Schwenken des Hubringes auftretende seitliche Bewegung des Druckstückes bezüglich der Wirkrichtung vor allem des Stellkolbens auszugleichen, kann das mit der Stirnfläche des Kolbens in Eingriff tretende, abgerundete Ende des Druckstückes auf dieser Stirnfläche gleiten. Am anderen Ende des Druckstückes wird eine solche seitliche Bewegung aufgrund der Elastizität und Beweglichkeit der Feder auch in Querrichtung ohne weiteres kompensiert.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist also ein von dem Hubring bzw. vom Material des Hubringes unabhängiges Druckstück vorgesehen, welches unmittelbar die zwischen Stellkolben und Feder wirkende Kraft überträgt, wobei der Hubring über entsprechende Mitnehmerelemente nur noch so mit diesen Stellgliedern verbunden ist, daß er der Bewegung des Stellkolbens folgt, wodurch sich das Fördervolumen ändert, das heißt, dem geänderten Bedarf anpaßt. Das Mitnehmerelement bzw. die Mitnehmerelemente des Hubringes und/oder der Stellglieder sind dann nicht mehr den relativ großen, von den Stellgliedern ausgeübten und gegeneinanderwirkenden Kräften ausgesetzt. Der Hubring muß lediglich gegen die von seinem Inneren her durch die Rotorflügel sowie durch das Pumpmedium ausgeübten Kräfte in der durch die Stellglieder vorgegebenen Position gehalten werden.

Der besondere Vorteil einer solchen Ausgestaltung liegt darin, daß das Material, aus welchem der Hubring hergestellt wird, keinen durch die Einwirkung der Stellglieder bedingten Einschränkungen unterliegt. Insbesondere kann also der Hubring aus einem relativ weichen und leicht zu verarbeitenden Material, z. B. aus Aluminiumdruckguß, hergestellt werden, wobei andere, auch härtere, Materialien selbstverständlich nicht ausgeschlossen sind.

Vorzugsweise ist der Hubring um eine zu seiner Mittenachse parallele Schwenkachse gelagert. Bei einer solchen Ausgestaltung benötigt man keinerlei zusätzliche Führungselemente für die Verschiebung des Hubringes in eine mehr oder weniger exzentrische Position bezüglich seines zentralen Rotors. Wegen der speziellen Ausgestaltung des Rotors, der Flügel und der Verstellwirkungen des Hubringes kann auf die oben genannte DE-OS 33 33 647 verwiesen werden.

Weiterhin ist eine Ausführungsform der Erfindung bevorzugt, bei welcher eine gelenkige und im wesentlichen spielfreie Verbindung zwischen den Mitnehmerelementen des Hubringes und der Stellglieder vorgesehen ist. Die weitgehende Spielfreiheit ist wichtig, um nachteilige Vibrationen und Schwingungen und ein starkes Pulsieren der Fördermengen zu vermeiden. Die gelenkige Verbindung ermöglicht ein Verschwenken des Hubringes mit einem entsprechenden Mitnehmer­ element, ohne daß auch die Stellglieder, die im allgemeinen in einer linearen Bewegung geführt werden, diese Schwenkbewegung mitmachen müssen.

Zweckmäßigerweise ist am Hubring als Mitnehmerelement ein Mitnehmerzapfen an der der Schwenkachse des Hubringes abgewandten Seite vorgesehen. Betrachtet man den Hubring aufgrund seiner einseitigen, schwenkbaren Lagerung als einarmigen Hebel, so ist bei einer solchen Ausgestaltung die auf den Mitnehmerzapfen für eine vorgegebene Verstellung zu übertragende Kraft minimal, da sie den maximalen möglichen Abstand zur Schwenkachse hat. Außerdem wird durch die auf diese Weise gegebene Hebeluntersetzung bei einer Verschiebung der Stellglieder die Exzentrizität und damit auch die Fördermenge der Pumpe nur entsprechend der Untersetzung weniger verändert, da die exzentrische Verschiebung des Hubringzentrums zum Rotorzentrum bei einer solchen Ausführungsform geringer ausfällt, als wenn beispielsweise die Stellglieder mittig am Hubring oder mehrere Stellglieder parallel an den Enden des Hubringes angreifen würden.

Der Mitnehmerzapfen weist eine mit der Wirkrichtung der Stellglieder im wesentlichen fluchtende Bohrung auf. Hierzu sind verschiedene Varianten der Anordnung eines Druckstückes möglich, gemäß einer ersten Variante wird das Druckstück in der Bohrung fixiert und bildet mit seinen beiden Enden die Angriffsflächen für die beiden Stellglieder Kolben und Feder. Dabei ist es insbesondere zweckmäßig, wenn das Druckstück beidseitig aus den Enden der Bohrung herausragt und auf seiner der Druckfeder zugewandten Seite eine ebene Endfläche oder eine hohlzylindrische Aufnahme für das Endstück der Druckfeder und an dem gegenüberliegenden, mit dem Stellkolben in Eingriff tretenden Ende eine ballige bzw. gekrümmte Oberfläche für den Eingriff mit dem Stellkolben aufweist. Das Druckstück kann dabei entweder durch Preßpassung in die Bohrung des Zapfens eingepaßt sein oder kann auch als Gewindebolzen ausgeführt und in die passend als Gewindebohrung ausgeführte Bohrung durch den Mitnehmerzapfen eingeschraubt sein. Auch andere Verriegelungen oder Verankerungen, z. B. durch Kleben, sind möglich.

Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der im folgenden beschriebenen Figur, welche eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wiedergibt.

Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht durch eine Flügelzellenpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung.

In Fig. 1 erkennt man einen um eine Welle 30 schwenkbar gelagerten Hubring 4. Der im Gehäuse 3 drehbar aber ortsfest gelagerte zentrale Rotor im inneren des Hubringes 4 ist nicht dargestellt.

Die Exzentrizität des Hubringes relativ zum Rotor bestimmt die Fördermenge, welchen die Pumpe auf ihrer Druckseite auswirft. Der Druck wird über nicht dargestellte Zuleitungen auch in den Zylinder 20 geführt, so daß der vom Druck beaufschlagte Kolben 22 die Tendenz hat, sich aus dem zylindrischen Hohlraum 20 heraus nach rechts zu bewegen. Bei herkömmlichen Flügelzellenpumpen trat dabei die Stirnseite des Kolbens unmittelbar mit einem Mitnehmerzapfen 2 in Eingriff, der am unteren Ende des Hubringes angebracht war. Auf der gegenüberliegenden Seite des Zapfens 2 liegt eine Feder 23 an, die bei den früher bekannten Ausführungsformen ebenfalls unmittelbar am Zapfen 2 angriff. Mit wachsendem Druck im Zylinder 20 verschiebt der Kolben 22 den Zapfen 2 und damit auch den Hubring 4 gegen die Kraft der Feder 23 nach rechts und verstellt dabei den Hubring 4 aus einem Bereich größerer Exzentrizität mit entsprechendem größeren Fördervolumen in Richtung einer kleineren Exzentrizität und damit auch eines kleineren Fördervolumens. Läßt der Druck im Zylinder 20 nach, so wird der Kolben aufgrund der Kraft der Feder 23, die von der Gegenseite her am Mitnehmerzapfen 2 angreift, zurückgedrückt, wobei die Exzentrizität des Hubringes bezüglich des zentralen Rotors wieder zunimmt. Bei konstanten Betriebsbedingungen stellt sich so für die Pumpe ein durch die Federkonstante der Feder 23 und den wirksamen Querschnitt des Zylinders 20 bzw. Kolbens 22 bestimmtes Gleichgewicht ein.

Bei den in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist jeweils dafür Sorge getragen, daß der Kolben 22 und die Feder 23 nicht unmittelbar am Mitnehmerzapfen 2 angreifen, wobei vorausgesetzt ist, daß der Mitnehmerzapfen 2 einstückig mit dem Material des Hubringes 4 ausgebildet ist. Statt dessen ist in allen Ausführungsformen ein sogenanntes Druckstück 5 zwischen Kolben 22 und Feder 23 vorgesehen, welches die zwischen diesen beiden Stellgliedern wirkende Kraft unmittelbar überträgt. Gleichzeitig sind jedoch auch Mitnehmerelemente vorgesehen, die unabhängig von dieser direkten Krafteinwirkung zwischen Stellkolben 22 und Feder 23 eine spielfreie Schwenkbewegung des Hubringes 4 gestatten. In allen dargestellten Ausführungsformen weist der Hubring 4 als Mitnehmerelement einen Zapfen 2 auf. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist der Zapfen mit einer Bohrung versehen, die mit der Wirkrichtung der Stellglieder 22, 23 fluchtet. Die Bohrung durchgreift einen Bolzen 5, der aus einem härteren und verschleißfesterem Material besteht als der Hubring und der Zapfen 2. Der Bolzen 5 kann in der Bohrung des Zapfens 2 eingeschraubt, eingeklebt, eingelötet oder sonstwie befestigt sein. Das in Fig. 1 linke Ende des Bolzens ist mit einer balligen bzw. abgerundeten Stirnfläche versehen, die mit der anliegenden, ebenen Stirnfläche des Kolbens 22 beim Verschwenken in Eingriff tritt. Auf der gegenüberliegenden Seite, welche der Feder 23 zugewandt ist, hat der Bolzen 5 eine hohlzylindrische Erweiterung, in der ein Ende der Feder 23 aufgenom­ men ist.

Während des Betriebs der Pumpe kommt es bei sich ändernden Betriebsbedingungen zu Veränderungen in der exzentrischen Position des Hubringes 4, wobei der Hubring um die Welle 30 verschwenkt. Dabei bewegt sich mit dem Hubring 4 auch das Druckstück 5 auf einem Kreisbogen um die Welle 30. Während die Feder in dem Hohlraum 21, in welchem sie aufgenommen ist, genügend Spielraum in vertikaler Richtung hat, um diese seitlich leicht aus der Wirkrichtung der Stellglieder abweichenden vertikalen Bewegungen mitzumachen, so ist der Kolben in dieser Richtung (d. h. in Fig. 1 in Vertikalrichtung) nicht bewegbar, da er dicht in dem Zylinder 20 geführt sein muß. Die ballige bzw. abgerundete Form des mit dem Kolben 22 in Eingriff tretenden Druckstückendes ermöglicht es jedoch, daß das Druckstück während des Verschwenkens des Hubringes 4 etwas auf der Stirnfläche des Kolbens 22 gleitet.

Auf jeden Fall ermöglicht es die vorliegende Erfindung, das Material des Hubringes nicht dadurch festzulegen, daß seine Mitnehmerelemente relativ großen Beanspruchungen und gegebenenfalls auch einem Verschleiß ausgesetzt sind. Der Hubring kann vielmehr gemäß der vorliegenden Erfindung aus einem relativ weichen, leicht zu bearbeitenden und rein auf die Pumpfunktion hin optimierten Material bestehen, selbst wenn dieses bei starker Beanspruchung leichtverschleißen sollte, solange nur die zwischen den Stellgliedern wirkenden Kräfte nicht unmittelbar auf das Material des Hubringes übertragen werden. Dies geschieht durch das bereits erwähnte zwischengeschaltete Druckstück aus einem Material, welches im Vergleich zum Material des (übrigen) Hubringes 4 relativ verschleißfest ist, so daß eine starke Beanspruchung des Hubringes selbst vermieden wird.

Claims (2)

1. Flügelzellenpumpe mit einem verstellbaren Hubring (4), bei welcher am Hubring (4) eine Stellkraft angreift, die durch Stellglieder ausgeübt wird, von denen eines ein mit dem Pumpdruck oder einem vom Pumpdruck abgeleiteten Druck beaufschlagter Stellkolben (22) und das andere ein entgegengesetzt wirkendes elastisches Element, z. B. eine Feder (23) ist, und wobei am Hubring (4) und/oder an den Stellgliedern (22, 23) Mitnehmerelemente für die Mitnahme des Hubringes (4) entsprechend der Bewegung der Stellglieder (22, 23) vorgesehen sind, wobei der Kolben (22) und das elastische Element (23) über ein zwischen Kolben und elastischem Element angeordnetes Druckstück miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Mitnehmerzapfen (2) eine mit der Wirkrichtung der Stellglieder (22, 23) fluchtende Bohrung aufweist, welche das Druckstück durchgreift, daß das Druckstück (5) auf seiner mit der Feder (23) in Eingriff tretenden Seite einen ebenen oder das Federende aufnehmenden hohlzylindrischen Abschnitt (9) und auf seiner mit der Stirnfläche des Kolbens (22) in Eingriff tretenden Seite ein abgerundetes Ende (10) aufweist, wobei das Druckstück in der Bohrung des Mitnehmerzapfens gegen axiale Verschiebung fixiert ist, und daß das Druckstück (5) aus einem gegenüber dem Material des Hubringes (4) verschleißfesten Material besteht.

2. Flügelzellenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hubring (4) um eine Achse (30) schwenkbar gelagert ist.