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Kugelkolbenpumpe, insbesondere zur Verwendung als stufenlos umsteuerbares
Flüssigkeitswechsel- und Wendegetriebe Bei den bekannten Kugelpumpen neuerer Bauart
sind sowohl die Antriebswelle als auch die Blindwelle mit je einem doppelt wirkenden
Kolben fest verbunden, wobei sich die Kolben um go° verdreht gegenüberliegen. Diese
Kugelpumpen haben nur vier Kolbenkammern. Die Kugel selbst wird bei Drehung der
Antriebswelle-,durch den als Mitnehmer wirkenden Kolben der Antriebswelle gedreht
und durch den Kolben der Blindwelle -derart gesteuert, daß die Kugel hierbei eine
oszillierende Bewegung ausführt, wodurch die Kolbenkammern sich abwechselnd öffnen
und schließen. Hierdurch wird der Pumpvorgang ausgelöst. Die Kugel selber ist mit
keiner der beiden Wellen fest verbunden, sondern liegt lose im Gehäuse und wird
nur über die Kolben innerhalb der Kugelschale des Gehäuses gesteuert. Die Kugel
dieser Pumpen wird daher auch als Kugelkolben bezeichnet, da sie den Pumpvorgang
auslöst, während die Kolben selber nur eine rotierende Bewegung an ihren Wellen
ausführen.
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Die in der Praxis eingeführten Kugelpumpen, die auch umsteuerbar ausgeführt
werden, dienen zur Förderung viskoser Flüssigkeiten. Alle Anstrengungen, die Kugelpumpe
auch für Flüssigkeitsgetriebe zu verwenden, sind bisher gescheitert. Bei den eingehenden
Versuchen mit Kugelpumpen bis-Izeriger Bauart wurden u. a. als entscheidende Mängel
festgestellt: r. Schon bei geringem Betriebsdruck wird durch den Flüssigkeitsdruck
die Kugel gegen das Gehäuse gedrückt, wodurch erhebliche Reibungsverluste ausgelöst
werden, die bei höheren Drücken, wie. sie für Flüssigkeitsgetriebe notwendig sind,
den Wirkungsgrad der Pumpe so weit herabsetzen, daß ihre Verwendung für Flüssigkeitsgetriebe
nicht mehr wirtschaftlich sein würde,
2. Durch die starke Reibung
der Kugel am Gehäuse wird die Pumpe und dadurch die Förderflüssigkeit unzulässig
erwärmt.
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3. Bei höheren Drehzahlen, wie sie bei den gebräuchlichen Motoren
üblich sind, werden die vorgenannten Mängel durch die größeren Zentrifugalkräfteweiter
verstärkt, da diese die frei bewegliche Kugel fester ans Gehäuse drücken und die
kraftzehrende Reibung noch vermehren, .I. Durch die geringe Zahl der Kolben der
bekannten Kugelpumpen ist in der Totpunktlage nur je eine Kolbenkammer auf der Saugseite
und auf der Druckseite wirksam, wodurch sowohl das Drehmoment als auch der Flüssigkeitsstrom
zu ungleichmäßig werden. Es hat sich aber auch ergeben, daß die obengenannten Mängel
durch den Aufbau der Kugelpumpe an sich bedingt sind und in dem Zustand ihrer bisherigen
technischen Entwicklung nicht beseitigt werden können.
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Die seit 30 Jahren immer wieder erhobene Forderung der Praxis:
Feste Lagerung der Kugel auf durchgehender Antriebswelle und Fortfall der Blindwelle,
ist durch die vorliegende Erfindung nunmehr erfüllt.
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Die vorliegende Erfindung zeigt einen grundlegend veränderten Aufbau
der Kugelpumpe und fast aller ihrer Einzelteile. Hierdurch ist ein entscheidender
Fortschritt in der Entwicklung und Anwendung der Kugelpumpe erreicht. Die sich hieraus
ergebenden wesentlichen Vorteile sind: a) Nur noch eine, durch die Kugel hindurchgehende
starke Antriebswelle, die mit der Kugel fest verbunden und im Gehäuse beiderseitig
gelagert ist. Hierdurch und durch die Anordnung besonderer Steuerorgane für die
Kolben kann die Blindwelle fortfallen. Der Flüssigkeitsdruck wird nunmehr von der
Kugel direkt auf die Antriebswelle und von dieser auf die beidseitigen Wellenlager
übertragen. Die ungünstige oszillierende Bewegung der Kugel in Kugelpumpen bekannter
Bauart ist jetzt beseitigt, so daß diese in der vorliegenden Erfindung nur rein
rotierende Bewegungen ausführt.
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b) Die schädliche Wirkung der Zentrifugalkräfte ist durch die durchgehende
Antriebs"velle aufgehoben, weil die Kugel nicht mehr gegen das Gehäuse gedrückt
«-erden kann und daher zwischen Kugel und Gehäuse auch keine Reibung mehr entsteht.
Aber auch die auf die fünf Pumpenkolben wirkenden Schleuderkräfte -,verden durch
geeignete Vorkehrungen aufgenommen, so daß auch hier keine Reibung am G-1häuse entstehen
kann. Eine unzulässige Erwärmung der Förderflüssigkeit wird da- ' durch vermieden.
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c) Bei der vorliegenden Ausführungsform können eine Mehrzahl einfach
wirkender Kolben im Kreise angeordnet werden, wodurch sowohl das Drehmoment als
auch der Flüssigkeitsstrom der Pumpe erheblich gleichmäßiger wird.
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d) Der Pumpvorgang ist in die der Antriebsseite gegenüberliegenden
Kugelhälfte verlegt, während in der anderen die Steuerorgane untergebracht sind.
Hierdurch wird eine besonders gedrungene Bauart der Pumpe ermöglicht. e) Der Regelteil
ermöglicht eine Regelung dei Fördermenge und eine Richtungsänderung des Flüs. sigkeitsstromes
bei gleichbleibendem Drehsinn unc gleichbleibender Drehzahl des Motors.
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Der aus den vorgenannten Vorzügen zu erwartende hohe Wirkungsgrad
der Pumpe vorliegender Erfindung wird nunmehr auch ihre Verwendung ah Primär- und
Sekundärteil eines Getriebes ermöglchen.
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In der Zeichnung ist die Pumpe als Primärgetriebe an einem Ausführungsbeispiel
veranschaulicht, und zwar zeigt Fig. i einen Vertikalschnitt der Maschine nach der
Linie A-B der Fig. -2 bei Stellung der Umsteuerung auf Höchstleistung, Fig. 2 einen
Horizontalschnitt der Fig. i nach der Linie C-D bzw. C'-D' in Fig. 3, jedoch bei
Stellung des Regelteils auf Leerlauf, Fig. 3 einen Blick auf die Kugel (Teil i),
Kolben (Teil 2 bis 6) und Antriebswelle (Teil 7) von D bzw. B aus,
Fig. d. einen Teilschnitt der Fig. 2 nach E-F, Fig. 5 eine Draufsicht auf das Gelenk,
Fig.6 eine Draufsicht auf den Mitnehmer (Teil i i ü) und den Kolben a.
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Die Pumpenteile i bis 7 und io bis i2 bleiben bei allen Bewegungen
im gleichen Abstand vom Kugelmittelpunkt.
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Die Pumpe wird durch die mit dem Motor direkt gekuppelte durchgehende
Antriebswelle 7 angetrieben, die beidseitig im Gehäuse 14 bei 2o und 2i gelagert
ist.
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Mit der Antriebswelle 7 ist der Kugelkörper i fest verbunden. Wird
die Welle 7 in rotierende Bewe-, g gung gesetzt, so werden gleichzeitig mit Teil
i auch die Kolben :2 bis 6 mitgenommen, die nun ihrerseits über die Mitnehmer i
id die Teile i 1, ä, 9, io und 15 in eine rotierende Bewegung um einen gegen die
`'Felle 7 um den Winkel a geneigte Achse 0-P versetzen. Hierbei werden nacheinander
die Pumpenkammern geöffnet und geschlossen, wodurch der Pumpvorgang ausgelöst wird.
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Wie Fig. r und 3 zeigen, ist die Kolbenkammer bei 2 ganz geöffnet
und nach dem Ansaugen gefüllt. Bei weiterer Drehung der Kugel i über die Stellung
der Kolben 6 und 5 wird allmählich bis zur Drehung um i So' die Kolbenkammer v ollkommen
geschlossen und damit entleert. Bei Drehung der Kugel in ihre :-#nfangstellung zurück
erfolgt nun wieder das allmähliche Ansaugen der Flüssigkeit, bis zur völligen Füllung
der Kammer. Je nach Umsteuerung und Stellung von Teil 12 ist die eine Seite der
Kugel Druckseite und die andere Saugseite, oder umgekehrt. Bei Leerlauf fällt die
Achse 0-P mit der Wellenachse zusammen. Die Stellung der Achse 0-P wird durch den
Regelteil 13 über das Zylindersegment Teil 12 geregelt.
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Teil 1e ist bei 16 beweglich gelagert und greift bei 17 in den Ring
i i ein, wodurch zwangsläufig dessen rotierende Bewegung um die Achse 0-P ermöglicht
wird. Statt des Gleitlagers 17 kann hier auch ein Kugellager eingebaut werden. Um
das Abheben der Teile 12 und i i von ihren Lagern bei
16 und 17
zu verhindern, ist der Ring 11 noch bei 18 beweglich auf der verkleinerten Kugelhälfte
i gelagert.
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Um die Umsteuerung zu ermöglichen, ist im Ring i i eine kegelförmige
Ausdrehung 22 und in Teil 12 ein Schlitz 23 vorgesehen, um die Welle 7 unbehindert
durch Teil i i und 12 hindurchführen zu können.
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Fig. 3 zeigt die Kugel i mit fünf rechteckigen Ausschnitten, in denen
die Kugelkolben :2 bis 6 gelagert sind. Die Schnittlinien der fünf Mittelebenen
dieser Ausschnitte fallen mit der Wellenachse zusammen. Die Bewegung der Kolben
erfolgt auf Meridianen der Kugel. Jedoch ist auch eine Ungenauigkeit der Bearbeitung,
d. h. eine geringe Abweichung der Kolben 2 bis 6 von den Meridianen, ohne schädliche
Wirkung für den Pumpvorgang, sofern die Kugelausschnitte je in einer Ebene verbleiben.
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Bei der Rotation der Kugel i verändern jeweils die Enden der Kolben
:2 bis 6 ihre Entfernung von der Achse 7. Dabei ändert sich auch der gegenseitige
Abstand dieser Enden in Umfangsrichtung. Hierbei wird gleichzeitig, wie in Fig.
5 gestrichelt dargestellt ist, eine Drehung der Teile 1o, i i und 15 bis um max.
Winkel a ausgelöst, je nach Stellung der Kolben :2 bis 6 zum Ring i i.
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Diese Bewegungen werden durch das Gelenk, bestehend aus dem quer in
den zylindrischen Teil 9 eingebauten Zylinder 8 und den in diesen ebenfalls beweglich
eingreifenden Ring 1o, ermöglicht. Die Teile 8 und 9 können auch durch ein Kugelgelenk
ersetzt werden. Der Ring 1o hat fünf Ausschnitte für die Mitnehmer i ja. Die Teile
15 übertragen jeweils den von dem Ring i i ausgelösten Druck auf die Kalben 2 bis
6 (Kolbendruck), während Teil 1o die Kolben 2 bis 6 in ihrem Abstand zum Ring i
i fixiert, dabei aber die Veränderung der gegenseitigen Kolbenabstände ermöglicht.
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Durch das Gelenk werden außerdem Ungenauigkeiten bei der Herstellung
der Pumpenteile ausgeglichen, so daß kraftzehrende Verklemmungen und ungleichmäßige
Beanspruchungen der Pumpenteile vermieden werden.
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Die Mitnehmer i ja sind bei 19 mit Vorspannung auf den Kolben 2 bis
6 beweglich gelagert. Der Abstand a in Fig. 6 zwischen Mitnehmer i 1a und Kolhen
2 ist durch den bei der Rotation der Kugel sich verändernden gegenseitigen Abstand
der Kolben :2 bis 6 bedingt, so daß bei Drehung der Kugel i die Mitnehmer nicht
alle gleichzeitig zur Wirkung kommen. Der Mitnehmer 11a, der mit Vorspannung bei
19 auf die Kolben 2 bis 6 drückt, verhindert hierdurch die schädliche Wirkung der
Zentrifugalkraft auf die Kolben 2 bis 6 und deren Abheben von der Kugel i und somit
auch die Reibung der Kolben 2 bis 6 an der Gehäusewandung 14. Die Pumpe arbeitet
ventillos.
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Bei Verwendung als Sekundärteil eines hydraulischen Getriebes kann
der Regelteil 1.i und 12 fortfallen und Ring i i bei 17 im Gehäuse 14 gelagert werden,
da z. B. beim Schiffswechsel- und Wendegetriebe die Regelung der Geschwindigkeit
und Drehrichtung der Schiffsschraube von der Kurbel 13 am Primärteil des Getriebes
bewirkt wird. Für Drehbänke, Kraftfahrzeuge und Triebwagen gilt sinngemäß das gleiche.