DE8417535U1 - Hydraulikpumpe - Google Patents

Description

STRÄSSE Sc'STOFFRECJEN

Patentanwälte · European Priiont Attorneys DIpI.-Ine· Joachim BtrosBO. Mftnohon ■ Dlpl.Phy·. Dr. Hans-Herbert Stoffregen, Hanau

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Hydraulikpumpe

Die Neuerung bezieht sich auf eine Hydraulikpumpe, die von einem Verbrennungsmotor betätigbar ist und mehrere die Hydraulikflüssigkeit fördernde mit Kolbenfedern wechselwirkende Pumpenkolben umfaßt.

Unter Hydraulik versteht man technische Verfahren und Anlagen zur Kraftübertragung mittels Flüssigkeiten in geschlossenen Leitungssystemen. Diese Kraftübertragung und ihre Vorrichtungen sind als hydraulische oder hydrostatische Antriebe zu bezeichnen. Dabei werden wegen der korrosiven Eigenschaften von Wasser spezielle Hydraulikflüssigkeiten wie zum Beispiel Öl als Übertragungsmedien benutzt. Jeder hydraulische oder hydrostatische Antrieb baut sich grundsätzlich aus den zu einem Kreislauf. geschalteten Grundelementen wie Pumpe, Druckleitungen, Steuer- und Regelorgane und Verbraucher sowie Hilfsgeräte auf. Zur Erzeugung hyra ulischer Energie und ihrer Rücktransformation in mechanische dienen Verdrängerpumpen vielfältiger Bauart, überwiegend Zahnrad-, Flügel-, Radial- und Axialkolben, Pumpen- und Hydromotoren sowie Hydraulikzylinder. Viele dieser Bauarten gestatten ein stufenloses Verstellen des Volumenstroms. Dabei ist jedoch immer wieder festgestellt worden, daß die Hydraulikflüssigkeit von der Hydropumpe nicht stetig genug gefördert werden kann. Häufig stellt man daher eine stoßweise Förderung der Hydraulikflüssigkeit

fest, die beim Betätigen des der Hydraulikpumpe nachgeschalteten Hydraulikmotors zu einer nicht hinreichenden Gleichförmigkeit der Bewegung führt.

Aufgabe der vorliegenden Neuerung ist es eine Hydraulikpumpe der zuvor beschriebenen Art so auszubilden, daß bei einfachem Aufbau und Antrieb sichergestellt ist, daß eine hinreichend stetige Förderung der Hydraulikflüssigkeit erfolgt, wodurch die der hydraulischen Energie entnommene geradlinige, schwenkende oder rotierend wirkende mechanische Energie die gewünschte Stetigkeit aufweist. Dabei soll insbesondere sichergestellt sein, daß der von den Pumpenkolben hervorgerufene Förderdruck konstant oder nahezu konstant ist.

Die Aufgabe wird neuerungsgemäß dadurch gelöst, daß der Ver-

brennungsmotor ein Kolbenmotor mit symmetrisch freifliegenden Stufenkolben ist, deren äußere Kolben stufen zumindest jeweils drei Zylinderabschnitte unterschiedlicher Durchmesser aufweisen, bei denen der innere den größten und der mittlere Abschnitt den kleinsten Durchmesser zeigen, daß die den Kolben umgebenden Wandungen im Bereich der drei Zylinderabschnitte zumindest eine Stufe aufweist, wodurch bei Hin- und Herbewegen des Stufenkolbens das zwischen den einander zugewandten Stirnwänden des inneren und äußeren Zylinderabschnitts eingeschlossene Volumen veränderbar ist, und daß in der den Stufenkolben umgebenden Wandung im Bereich des äußeren Zylinder- abschnitte, also im Bewegungsbereich der zwischen dem äußeren und inneren Zylinderabschnitt vorhandenen (weiteren) Stufe Öffnungen vorhanden sind, in denen die von den Kolbenfedern beaufschlagten Pumpenkolben verschiebbar angeordnet sind, wobei die von der Hydraulikflüssigkeit zu beaufschlagenden Flächen der den Öffnungen zugeordneten Pumpenkolben bezogen auf deren Lage entlang der sich hin- und herbewegenden weiteren Stufen von den äußeren zu den inneren hin zunehmen. Durch die neuerungsgemäße Lehre wird demzufolge mit einfachen Mitteln eine Hydraulikpumpe zur Verfugung gestellt, die eine Vielzahl von die Hydraulikflüssigkeit in einem

Kreislauf fördernden Pumpenkolben umfaßt, die ihrerseits auf einer ί Schraubenlinie in der den Stufenkolben umgebenden Wandung eingelassen sein können und in Abhängigkeit von dem Hub des Stufenkolben hin- bzw. herbewegbar sind, wodurch auch eine Regelung der Fluidstrommenge erfolgt, wobei gleichzeitig der Beschleunigung des Stufenkolbens derart Rechnung getragen wird, daß die Pumpenkolbenflächen variieren, um über die Pumpenkolben selbst einen konstanten oder nahezu konstanten Förderdruck hervorzurufen. D.h., daß die Flächen der mittleren Pumpenkolben größer als die äußeren sind. 10

j Durch das axial versetzte Anordnen der Pumpenkolben ist sicher-

! gestellt, daß diese nacheinander mit einem Fluid, vorzugsweise ebenfalls einer Hydraulikflüssigkeit wie öl beaufschlagt werden, so daß sich ein gleichmäßiges Fördern der Hydraulikflüssigkeit ergibt. Ferner ¹S sind die zu den einzelnen Pumpenkolben führenden Zu- bzw. Ablaufleitungen der Hydraulikflüssigkeit untereinander verbunden, wodurch sich vom Aufbau her konstruktive Vorteile ergeben.

Vorzugsweise befindet sich in der den Stufenkolben umgebenden Wandung eine Stufe im Bereich des mittleren Zylinderabschnitts, wodurch sich im gewünschten Umfang eine Änderung des zwischen den Stirnflächen befindlichen Volumens ergibt.

Die Pumpenkolben werden dann radial nach außen gedrückt, wenn die zwischen den Stirnflächen befindliche Flüssigkeit in die dem jeweiligen Pumpenkolben zugeordnete Öffnung hineingedrückt werden kann. Mit anderen Worten muß die Stufe zwischen dem mittleren und äußeren Zylinderabschnitt im Bereich einer jeweiligen Öffnung gelangen, um so eine Fluidverbindung herzustellen. Wird demzufolge der Stufenkolben nach außen bewegt, so erfolgt dadurch gleichzeitig eine sukzessive radial nach außen gerichtete Bewegung der Stufenkolben. Wird dieser nach innen bewegt, so wird aufgrund der Vergrößerung des Volumens zwischen den Stirnflächen ein Unterdruck im Bereich der die Pumpenkolben aufweisenden Öffnung erzeugt, wodurch jene radial 35

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nach innen bewegt werden. Dadurch ist letztlich sichergestellt, daß die Hydraulikflüssigkeit, die zum Antreiben eines Motors oder ähnliches bestimmt ist, gleichmäßig von dem Pumpenkolben gefördert wird.

Durch die Verwendung eines Freiflugkolbenmotors ist neben einem einfachen Aufbau sichergestellt, daß ein verschleißfreier Betrieb möglich ist, bei dem zudem weitgehend Leckverluste ausgeschlossen sind. Ferner kann durch den Hub des Kolbens die Betätigung der Anzahl der Pumpenkolben und damit die Menge der Hydraulikflüssigkeit ger-teuert werden. Vorzugsweise wird die neuerungsgemäße Hydraulikpumpe von einem Freiflugkoltenmotor betätigt, der einen symmetrischen freifliegenden Stufenkolben umfaßt, der drei Stufenkolben aufweist, von denen die äußeren Kolbenstufen je in einer Brennkammer und die mittlere Kolbenstufe in einer weiteren diese in zwei gesonderte Vor-

15· verdichterräume unterteilende Kammer angeordnet sind, und daß in Abhängigkeit von der Stufenkolbenstellung zwischen einem Vorverdichterraum und der angrenzenden Brennkammer entlang des zwischen den Kolbenstufen vorhandenen (mittleren) Kolbenabschnitts ein Verbindungskanal für Kraftstoff gemische verläuft.

Durch die neuerungsgemäße Lehre wird folglich eine Hydraulikpumpe vorgeschlagen, die hydraulisch angetrieben und gesteuert ist.

Weitere Einzelne ite, Vorteile und Merkmale der Neuerung ergeben sich sowohl aus den Ansprüchen als auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausfuhrungsbeispiels.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Ausschnitt einer Hydraulikpumpe mit Freiflugkolbenmotor in perspektivischer Darstellung,

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts aus Fig. 1 und

Fig. 3 eine schematische Darstellung von mit einer Hydraulikflüssigkeit zu beaufschlagenden Pumpenkolbenflächen.

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In den Figuren ist rein schematisch ein Motor 10 in Form einer Zweitakt-Brennkraftmaschine dargestellt, die einen in einem Motorblock 12 freifliegenden Stufenkolben 14 umfaßt, der axial frei bewegbar ist. Der Stufenkolben 14 weist eine mittlere Kolbenstufe 16 sowie zwei symmetrisch dazu angeordnete äußere Kolbenstufen, von denen nur die äußere linke (Bezugszeichen 18) dargestellt ist. Die äußeren Kolbenstufen haben gleiche Durchmesser, wohingegen die mittlere Kolbenstufen 16 einen größeren Durchmesser zeigen kann. Zwischen der Kolbenstufe 18 und der Kolbenstufe 16 befindet sich ein Kolben abschnitt 20, der eine Stufe und/oder Kolbenringe 22 aufweisen kann. Ferner umfaßt der Freiflugkolbenmotor 10 zwei Brennkammern, von denen im Ausführungsbeispiel nur die linke Brennkammer angedeutet und mit dem Bezugszeichen 24 versehen ist. Die Brennkammern sind axial innen bei den äußeren Kolbenstufen angeordnet. Die mittlere Kolbenstufe 16 befindet sich in einer weiteren Kammer 26, die von jener in zwei getrennte Vorverdichterräume 28 und 30 unterteilt ist.

Die in dem Motorblock 12 angeordneten Kolbenstufen 16 und 18 mit der dargestellten Brennkammer 24 sowie dem Vorverdichterräumen 28 und 30 stellen demzufolge eine Antriebsmaschine in Form des Freiflugkolbenmotors 10 dar, wie er grundsätzlich in der Deutschen Offenlegungsschrift 30 29 287 beschrieben ist. Dabei besteht dann eine Verbindung zwischen dem Vorverdichterraum 26 und der Brennkammer 28, wenn sich die Kolbenstufe 18 in der unteren Totpunktlage (ganz links) befindet. Die Verbindung wird dadurch ermöglicht, daß ein um den Kolbenabschnitt 20 zylindrisch angeordneter nicht näher bezeichneter Kanal nicht mehr von der Stufe bzw. dem Kolbenring 22 versperrt ist. Befindet sich die Kolbenstufe 18 in der unteren Totpunktlage, so liegt die gegenüberliegende symmetrisch angeordnete Kolbenstufe in der oberen Totpunktlage, also in der Kompressionsstellung. In diesem Fall ist der gleichfalls dort vorhandene Kanal verschlossen. Erst wenn die Kolbenstufe 18 gemäß dem Ausfuhrungsbeispiel nach rechts bewegt wird, wird der Kanal zwiischen dem Vorverdichterraum 30 und der nicht dargestellten rechten Brennkammer geöffnet.

Das Ansaugen des Kraftstoff gemisches wird durch die Stellung der mittleren Kolbenstufe 16 gesteuert, die in Abhängigkeit von der Lage des Stufenkolbens 14 eine Verbindung zwischen einer in der Motorblockwandung vorhandenen Öffnung 32 mit einem der Vorverdichterräume 28 bzw. 30 herstellt. Dabei befindet sich die Öffnung 32 mittig zwischen den Stirnwandungen der mittleren Kammer 26. Die Zündung in den Brennkammern 24 selbst kann über eine Zündkerze 34 oder einen nicht dargestellten Glühstrumpf erfolgen. Die Brennkammern 24 weisen schließlich Auspuffkanäle 36 auf, die von im wesentlichen tangential in die Brennkammern 24 einmündende Auslaßschlitze ausgehen.

Neuerungsgemäß setzen sich die äußeren Kolbenstufe (im Ausführungsbeispiel die äußere Kolbenstufe 18) über den Motorblock 12 hinausgehend fort und weist dabei drei zylindrische Endabschnitte 38, 40 und 42 auf, die unterschiedliche Durchmesser zeigen. Dabei ist der Durchmesser des inneren Zylinderabschnitts 38 am größten, der des mittleren Zylinderabschnitts 40 am kleinsten gewählt. Schließlich weist die die Zylinderabschnitte 38, 40, 42 umgebende Wandung eine Stufe 44 auf, die den Übergang zwischen zylindrisch verlaufenden Wandabschnitten 46 und 48 besitzt, die ihrerseits dem Durchmesser des Abschnitts 38 bzw. des Abschnitts 42 angepaßt sind. Die Stufe 44 befindet sich dabei im Bereich des mittleren Zylinderabschnitts 40, unabhängig davon, ob sich der Stufenkolben 14 in der oberen oder unteren Totpunktlage befindet. Durch die Stufe 44 wird erkennbar erreicht, daß das Volumen V, das zwischen den einander zugewandten Stirnflächen 50 und 52 des inneren und äußeren Zylinderabschnitts 38 und 42 umschlossen wird, in Abhängigkeit von der Stellung des Stufenkolbens 14 verändert wird. Befindet sich der Stufenkolben 14 in der rechten Endstellung, so ist das Volumen V maximal, wohingegen das Volumen um so mehr abnimmt, wie der Stufenkolben 14 nach links bewegt wird (eine entsprechende Geometrie und Ausbildung des rechten Stufenkolbens, der in den zeichnerischen Darstellungen nicht dargestellt ist, ist ebenfalls gegeben, so daß sich ein vollständig symmetrischer Aufbau der neuerungsgemäßen Anordnung ergibt).

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In dem Volumen V befindet sich nun vorzugsweise eine Hydraulikflüssigkeit, die auf einer Schraubenlinie angeordnete Pumpenkolben 54 bis 62 beaufschlagt. Dabei ist die von der Hydraulikflüssigkeit beaufschlagte Kolbenfläche in Abhängigkeit von der Lage des Pumpenkolbens entlang des Bereichs, in dem sich die Stirnfläche 52, als die zwischen der» den Zylinderabschnitten 40 und 42 ausgebildete Stufe hin- und herbewegt, unterschiedlich gewählt. Um über die Pumpenkolben den gleichen oder nahezu den gleichen Druck im nachfolgend noch näher zu beschreibenden Hydraulikkreislauf hervorzurufen, sind die im mittleren Bewegungsbereich der Stirnfläche 52 vorhandenen Flächen der Pumpenkolben am größten und im Bereich der Umkehrpunkte der Stufe 52 am kleinsten gewählt. Dies soll der schematischen Darstellung gemäß Fig. 3 zu entnehme?-: sein. Man erkennt, daß die mit Druck zu beaufschlagende Flächen im Mittenbereich (110) am größten, in den Randbereichen (112, 114) am geringsten sind.

Dabei befinden sich die Pumpenkolben 56 bis 62 in radial verlaufen-. den Öffnungen 64, 66, die von der Innenwandung 48, dessen Durchmesser dem des äußeren Zylinderabschnitts 42 angepaßt ist, ausgehen.

Der Abschnitt 68 kann an den Motorblock 10 durch Schrauben oder ähnliches befestigt sein. Bewegt sich demzufolge der Stufenkolben 14 und damit der Abschnitt 42 nach links, so wird sukzessiv -mit dem innersten Pumpenkolben 54 beginnend- jeder Pumpenkolben mit der Hydraulikflüssigkeit, die sich zwischen den Stirnwänden 50 und 52 befindet, beaufschlagt. Infolgedessen werden die Pumpenkolben 54 bis 62 entgegen der auf sie wirkenden Federkraft, die durch Schraubenfedern 70 bis 78 oder ähnlich wirkende Elemente hervorgerufen wird, bewegt werden.

Oberhalt der Pumpenkolben befindet sich nun eine Hydraulikflüssigkeit, die in Abhängigkeit von der Pumpenkolbenbewegung ein Antriebsaggregat wie zum Beispiel Hydromotor im geschlossenen Kreislauf zugeführt oder entnommen wird. Zu diesem Zweck gehen oberhalb eines jeden Pumpenkolbens eine Zu- bzw. Ablaufleitung 80, 84 bzw. 8?,, 86

aus, die liber in dem Abschnitt 68 verlaufende Ringkanäle 88 bzw. 90 miteinander verbunden sind, um so über die Hauptzu- bzw. -ablaufleitungen 92 bzw. 94 zu dem erwähnten Aggregat, das auch als Sekundärteil einer Hydraulikanlage zu bezeichnen ist, zugeführt wird, um über diese die hydraulische Energie in gradlinige, schwenkende oder rotierend wirkende mechanische Energie umzuwandeln. Wird nun der Stufenkolben 14 nach rechts bewegt, so vergrößert sich das Volumen V zwischen den Stirnwänden 50 und 52, so daß infolgedessen die Pumpenkolben radial nach innen gezogen werden. Durch diese Anordnung wird demzufolge in den Leitungen 92, 94 kontinuierlich C Hydraulikflüssigkeit im Kreislauf gefördert, wobei aufgrund der Anordnung der Pumpenkolben 54 bis 62 auf einer Schraubenlinie sichergestellt ist, daß die Hydraulik förderung überaus gleichmäßig erfolgt.

Ferner ist darauf hinzuweisen, daß selbstverständlich in den Zu- bzw. Ablaufleitungen 80, 84 bzw. 82, 86 Einwegventile 96, 98, 100 und 102 Einwegventile angeordnet sind, über die die Strömungsrichtung der Hydraulikflüssigkeit vorgegeben ist.

Claims (8)

1. Hydraulikpumpe, die von einem Verbrennungsmotor betätigbar ist und mehrere die Hydraulikflüssigkeit fördernde vorzugsweise mit Kolbenfedern wechselwirkende Pumpenkolben umfaßt,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Verbrennungsmotor (10) ein Kolbenmotor mit freifliegendem Stufenkolben (l/ϊ mit Kolbenstufen (18) ist, die zumindest jeweils drei Zylinderabschnitte (38, 40, 42) unterschiedlicher Durchmesser aufweisen, von denen der innere (38) den größten und der mittlere Abschnitt (40) den kleinsten Durchmesser aufweisen, daß die die Zylinderabschnitte (38, 40, 42) umgebende Wandung (46, 48) in diesem Bereich zumindest eine Stufe (44) aufweist, wodurch bei Hin- und Herbewegung des Stufenkolbens (14) das zwischen den einander zugewandten Stirnwänden (50, 52) des inneren und äußeren Zylinderabschnitts (38, 42) eingeschlossene Volumen (V) veränderbar ist, und daß in der den Stufenkolben (14) umgebenden Wandung (48) entlang des Bewegungsbereichs der zwischen dem mittleren und dem äußeren Abschnitt vorhandenen (weiteren) Stufe (52) des Stufenkolbens Öffnungen (64, 66) vorhanden sind, in denen die von den Kolbenfedern (70, 72, 74» 76, 78) beaufschlagten Pumpenkolben (56, 56, 58, 60, 62) verschiebbar angeordnet sind, wobei die druckbeaufschlagten Flächen (110, 112, 114) entlang des Bewegungsbereichs der weiteren Stufe derart

variieren, daß im mittleren Bewegungsbereich der weiteren Stufe _f (52) die Flächen (110) die größte Erstreckung aufweisen und zu

M beiden Seiten hin abnehmen.

2. Hydraulikpumpe nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

'. daß die in der Wandung vorhandene Stufe (44) die Veränderung

des Volumens (V) zwischen den Stirnwänden (50, 52) hervorruft.

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3. Hydraulikpumpe nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Öffnungen (64, 66) auf einer Schraubenlinie angeordnet * ' sind.

4. Hydraulikpumpe nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Flächen (110, 112, 114) der mit Hydraulikflüssigkeit beaufschlagten Pumpenkolben (54, 56, 58, 60, 62) entlang der Schraubenlinie in deren Randbereichen am geringsten und in ihrem mittleren Bereich am größten sind.

5. Hydraulikpumpe nach Anspruch 1 oder Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet,

daß die zu den einzelnen Pumpenkolben (54, 56, 58, 60, 62) führenden Zu- bzw. Ablaufleitungen (80, 82, 84, 86) für die Hydraulikflüssjgkeit untereinander verbunden sind.

6. Hydraulikpumpe nach zumindest Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß zur Druckbeaufschlagung der Pumpenkolben (54, 56, 58, 6ü,

62) eine Verbindung zwischen den Stirnwänden (50, 52) der Zylinderabschnitte (38, 42) besteht.

7· Hydraulikpumpe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Raum zwischen den Stirnflächen (50, 52) mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt ist.

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8. Hydraulikpumpe, die von einem Verbrennungsmotor betätigbar und mehrere die Hydraulikflüssigkeit fördernde mit Kolbenfedern wechselwirkende Pumpenkolben umfaßt, dadurch gekennzeichnet,

daß der Verbrennungsmotor eine Zweitakt-Brennkraftmaschine (10) ist, die einen symmetrischen freifliegenden Stufenkolben (14) umfaßt, der drei Stufenkolben (16, lS) aufweist, von denen die äußere Kolbenstufe (18) je in einer Brennkammer (24) und die mittlere Kolbenstufe (16) in einer weiteren diese in zwei ge sonderte Vorverdichterräume (28, 30) unterteilende Kammer (26)

( angeordnet sind, daß in Abhängigkeit von der Stufenkolben-

stellung zwischen einem Vorverdichterraum (28 bzw. 30) und der angrenzenden Brennkammer (24) entlang des zwischen den Kolbenstufen vorhandenen mittleren Kolbenabschnitts (20) ein Ver- bindungskanal für Kraftstoffgemische verläuft, daß die äußeren Kolbenstufen (18) zumindest jeweils drei Zylinderabschnitte (38, 40, 42) unterschiedlicher Durchmesser aufweisen, von denen der innere (38) den größten und der mittlere Abschnitt (40) den kleinsten Durchmesser aufweisen, daß die die Zylinderabschnitte (38, 40, 42) umgebende Wandung (46, 48) in diesem Bereich

zumindest eine Stufe (44) aufweist, wodurch bei Hin- und Herbewegen des Stufenkolbens (14) das zwischen den einander zu-. gewandten Stirnflächen (50, 52) des inneren und äußeren Zylinder-

. abschnitts (38, 42) eingeschlossene Volumen (V) veränderbar ist, und daß in der die Zylinderabschnitte umgebenden Wandung entlang des Bewegungsbereichs der Stirnfläche (52) Öffnungen (64, 66) vorhanden sind, in denen die von den Kolbenfedern (70, 72, 74, 76, 78) beaufschlagten Pumpenkolben (54, 56, 58, 60, 62) verschiebbar angeordnet sind, wobei die Flächen (110, 112, 114) der mit der Hydraulikflüssigkeit zu beaufschlagenden Pumpenkolben von außen nach innen zunehmen.