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Pumpe regelbarer -Förderleistung Es sind Pumpen mit im Kreis angeordneten
parallelen Kolben bekannt, die mittels einer feststehenden Hubscheibe beim Umlauf
der Kolbentrommel in dieser hin- und herbewegt werden. Diese bekannten Vorrichtungen
konnten jedoch nicht oder nur durch verhältnismäßig komplizierte Einrichtungen geregelt
werden.
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Die Erfindung bezweckt, die Förderleistung auf eine einfache und wirkungsvolle
Art zu regeln. Gemäß der Erfindung ist eine Pumpe vorgesehen, welche einen in einem
Gehäuse angeordneten zylindrischen und um eine Achse drehbaren Körper enthält, der
achsparallele Zylinder aufweist, in denen Kolben hin- und herbewegt werden können,
wobei der Kopf jedes Kolbens eben ist und eine Fläche eines Pyramidenstumpfes berührt,
dessen Achse parallel zur Rotationsachse des zylindrischen Körpers, jedoch von ihr
getrennt ist, und wobei Einrichtungen vorgesehen sind, die den Pyramidenstumpf mit
einer Winkelgeschwindigkeit um seine Achse drehen, welche gleich der des zylindrischen
Körpers ist.
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Vorzugsweise ist der zylindrische Körper zwischen einer an sich bekannten
Verteilerfläche und
einer Gegenfläche mit geringem axialem Spiel
angeordnet, wobei in der Gegenfläche Halbringnuten vorgesehen sind, zu denen das
unter Förderdruck stehende Medium über -geeignete Verbindungsbohrungen Zutritt hat
und die mit dem unter Förderdruck stehenden Medium derart beaufschlagt sind, daß
die von der Verteilerfläche auf den zylindrischen Körper ausgeübten Kräfte ausgeglichen
werden.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können die mit den
Pyramidenstumpfflächen zusammenarbeitenden Enden der Kolben Ansätze besitzen, welche
die Pyramidenstumpfflächen (nach Art desmodromischer Anordnungen) derart Untergreifen,
daß ein ständiger Kontakt der aufeinander gleitenden Flächen gegeben ist.
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Der Abstand zwischen der Achse des zylindrischen Körpers und der Achse
des pyramidenstumpfförmigen Körpers kann verstellbar sein, um die Förderleistung
der Pumpe zu regeln. Dabei kann ein um die Achse des zylindrischen Körpers drehbarer
Führungsring vorgesehen sein, um den genannten Abstand zwischen den beiden vorgenannten
Achsen zu verändern.
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Jeder der genannten zylindrischen Körper besitzt n zur gemeinsamen
Achse parallele, vorzugsweise in gleichen Winkeln und in gleichen radialen Abständen
angeordnete Bohrungen, -wobei jede dieser Bohrungen einen Kolben enthält, dessen
unten austretende Fläche geneigt ist und einen bestimmten Neigungswinkel a gegenüber
der Achsrichtung der Kolben und damit auch gegenüber der Achsrichtung der zylindrischen
Körper besitzt.
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Körper vorgesehen,
der die Form zweier regelmäßiger Pyramidenstümpfe besitzt und um eine geometrische
Achse drehbar ist, die parallel aber exzentrisch zur geometrischen Achse der zylindrischen
Körper angeordnet ist. Die Exzentrizität e ist veränderlich. Die Basisflächen der
Pyramidenstümpfe sind einander zugewandt und ihre n geneigten Flächen haben jeweils
den Winkel a gegenüber der Vorrichtungsachse. Eine Kupplung der sogenannten Oldham-Type
stellt eine kraftschlüssige (homokinetische) Verbindung zwischen der Antriebswelle
der zylindrischen Körper und den Pyramidenstumpfkörpern her. Wenn jeder Kolben so
angeordnet ist, daß seine geneigte ebene Basis auf einer der entsprechenden Pyramidenstumpfflächen
aufliegt, bleiben die sich berührenden Flächenelemente während der Drehbewegung
dauernd parallel und nehmen stets die gleiche Lage gegenüber den zylindrischen Körpern
und den Pyramidenstümpfen ein. Wenn jeder Kolben mit seiner geneigten Basis dauernd
gleitend gegen die entsprechende planparallele Fläche der Pyramide aufliegt, so
bewirkt jede vollständige Umdrehung der beiden Gruppen eine hin- und hergehende
Bewegung jedes Kolbens. Der Weg dieser Bewegung hat den- Wert
Die Länge dieses Weges, von der das Fördervolumen abhängt, ist also proportional
der Exzentrizität. Die Pumpe gemäß der Erfindung ist so gebaut, daß die Exzentrizität
mit der Hand oder selbsttätig geändert werden kann.
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Vorzugsweise sind in einem Gehäuse zwei der genannten Anordnungen
aus einem zylindrischen Körper und einem pyramidenstumpfförmigen Körper derart gegenüberliegend
untergebracht, daß die entgegengesetzt gerichteten axialen Stöße sich aufheben Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen näher erläutert: Fig. i zeigt schematisch
das geometrische Prinzip, auf dem die Erfindung beruht, Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt
durch eine Pumpe gemäß der Erfindung; Fig. 3 und 4 sind Querschnitte nach- den Linien
Y-Y und Z-Z der Fig. 2; Fig. 5 ist ein Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel,
ähnlich der Darstellung der Fig. 2 ; Fig. 6 und 7 zeigen weitereAusführungsbeispiele
für das Rückholsystem der Kolben; Fig. 8 und g zeigen schematisch dieAbdichtungseinrichtungen
zwischen der Verteilerebene jedes zylindrischen Körpers und der entsprechenden Gegenfläche
des Deckels.
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In der schematischen Darstellung der Fig. i erkennt man auf der Achse
Xi x1 einen zylindrischen Körper 2, der Bohrungen i mit den Achsen A1 A1 besitzt.
Die Achsen Al-A. sind .parallel zu X.- X1. Die Bohrungen i nehmen Kolben 3 auf,
deren untere Endflächen geneigt sind und den Winkel ce mit der Achsrichtung einschließen.
Auf der Achse X2 X2, die parallel zu Xi x1 ist und den Abstand e (Exzentrizität)
von ihr hat, ist einFührungsstück4 angeordnet, das geneigte Ebenen P besitzt und
gleichfalls den Winkel a mit der Achsrichtung einschließt. Wenn die geneigte Endfläche
desKolbens 3 mit der Fläche P in Flächenberührung steht und dem zylindrischen Körper
2 und dem Führungsstück 4 um ihre Achsen eine Drehbewegung co mit gleicher Winkelgep::hwindigkeit
und gleicher Drehrichtung erteilt wird, so werden die ebene geneigte Endfläche des
Kolbens 3 und die Fläche P des Führungsstückes 4 dauernd parallel aufeinander gleitend
in Flächenberührung bleiben. Wie aus Fig. i hervorgeht, ist am Ende einer halben
Umdrehung der Punkt M des Kolbens 3 bei N angelangt. Die Strecke m-N
stellt also den Abstand zwischen den beiden Endstellungen des Kolbens dar, die dieser
abwechselnd erreicht. Diese Strecke, die als c bezeichnet sei, hat den Wert Das
Fördervolumen, das durch die Hin-
und Herbewegung erzeugt wird, ist proportional c und ist dementsprechend auch e
proportional.
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Die beschriebene Wirkungsweise liegt den Ausführungsbeispielen der
Fig.2, 3 und 4 und auch der Fig.5 zugrunde. In diesen Figuren erkennt man mit der
Achse Xi x1 eine Antriebswelle 5, die durch Höchschulterlager oder andere geeignete
Mittel gelagert ist: Mit der Welle 5 laufen die beiden zylindrischen Körper 2 und
2' um, die
jeweils n gleichmäßig verteilte Bohrungen i und i' aufweisen.
Die Zahl n ist vorzugsweise eine Primzahi und soll möglichst hoch sein, um die Pulsationswirkung
herabzusetzen. Die spiegelbildliche Anordnung der zylindrischen Körper hat den Vorteil,
daß die ax.alen Stöße ausgeglichen werden und das nutzbare Volumen der Pumpe sich
erhöht.
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Auf der geometrischen Achse X2 X2, parallel zu X1- X1, ist ein Drehkörper
6 in einem Führungsring 7 drehbar angeordnet. Die Drehbewegung wird durch ein Nadellager
ermöglicht, jedoch kann man auch andere geeignete Mittel vorsehen-, z. B. Gleitlager,
Kugellager oder Rollenlager (Fig. 5).
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Auf dem Drehkörper 6 sind zwei Führungsstücke 4 und 4' befestigt,
die als regelmäßige Pyramidenstümpfe mit n unter dem Winkel a geneigten Oberflächen
ausgebildet sind.
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Der Drehkörper 6 und die mit ihm verbundenen pyramidenstumpfförmigen
Führungsstücke 4 und 4' sind drehbeweglich mit einem der zylindrischen Körper, z.
B. 2, über eine Oldham-Kupplung 8 verbunden. Eine solche Kupplung stellt eine kraftschlüssige
(homokinetische) Verbindung zwischen den antreibenden zylindrischen Körpern und
den Pyramidenstümpfen her und erlaubt die willkürliche Veränderung der Exzentrizität
e zwischen den parallelen geometrischen Achsen X,-X, und X2 X2.
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In jeder Bohrung sind Kolben 3 und 3' dicht eingepaßt, die mit ihren
unteren geneigten Flächen in Flächenberührung mit den -entsprechenden Flächen ihres
Pyramidenstumpfes stehen. Die Kolben können auch mit Segmenten versehen sein. Die
Rückholbewegung erfolgt über Federn (Fig.,2, und 7) oder durch U-förmige Gleiteinrichtungen
22 (desmodromische Anordnungen) (Fig.5 und 6). Im letzten Fall (Fig. 5 und 6) erhält
der Kolben bereits in der Fertigung, z. B. beim Gießen oder Schmieden, einen entsprechend
geformten Ansatz.
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Bei der zuerst genannten Ausführung drückt jede Feder, die, auch wenn
der Kolben im unteren Totpunkt liegt, noch stark vorgespannt sein muß, gegen eingepreßte
Ringe 9 und 9'. Wenn bei der Montage Ringe 9 und 9' in die entsprechenden zylindrischen
Körper eingebracht sind (z. B. mit flüssigem Stickstoff), nimmt man die Feinbearbeitung
vor, z. B. durch Planschleifen der Endfläche des zylindrischen Körpers, die an der
ebenfalls feinbearbeiteten Abschlußfläche der Deckel io und iö eben anliegen muß.
Da die Deckel als Verteiler dienen, muß ein vollkommen dichter Abschluß erreicht
werden.
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Wie in Fig. 7 gezeigt, können die Rückholfedern auch außerhalb des
Kolbens angeordnet sein. Dadurch wird toter Raum vermieden, jedoch wird die Vorrichtung
etwas breiter. Weiter kann man eine Verminderung des toten Raumes bei der Ausführungsform
nach Fig. 2 dadurch erreichen, daß man die Kolben (auf der Seite der Deckel) so
ausbildet, daß sie Füllkörper im Innern der Federn erhalten.
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Bei den beschriebenen Ausführungsformen kann der spezifische Flächendruck
zwischen der geneigten Endfläche jedes Kolbens und der entsprechenden Fläche des
Pyramidenstumpfes verhältnismäßig klein gehalten werden, auch wenn ein großerDruck
durch das Ausbringen des Mediums entsteht. Dies ist dadurch. möglich, daß das geneigte
Ende des Kolbens einen zylindrischen Ansatz mit einem größeren Durchmesser als dem
des Kolbens erhält. Ein Beispiel hierfür ist in den Fig. 6 und 7 gezeigt.
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Die Förderung des Mediums erfolgt in bekannter Weise durch die zylindrischen
Körper, die sich im gleichen Sinne drehen. In jeder plangeschliffenen Oberfläche
io und iö des Deckels liegen zwei kreisbogenförmige Öffnungen i i, 12 und i i',
12'. Die Öffnungen i i und i i' dienen zur Zufuhr und die Öffnungen 12 und 12' zur
Abfuhr des Mediums bei einem bestimmten Drehsinn und sind mit einem geeigneten Rohrsystem
verbunden, das hier nicht dargestellt ist.
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Man kann die Exzentrizität e in geeigneter Weise ändern, z. B. mit
der Hand oder selbsttätig in Abhängigkeit von einer bestimmten Bezugsgröße (Druck,
Drehmoment, Temperatur usw.), z. B. mechanisch, elektrisch, elektronisch usw.
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In der hier beschriebenen Ausführungsform ist vorgesehen, daß der
Führungsring 7 mit der geometrischen Achse X2-X2 eitle zylindrische exzentrische
Außenfläche 13 mit der geometrischen Achse 00 erhält. Um diese Achse
00 kann sich der Führungsring 7 im Gehäuse 14 drehen. Die Drehung erfolgt
durch eine Schnecke 15, die mit einem äußeren Zahnkranz 16 kämmt. Der Zahnkranz
16 führt den Führungsring 7. Dadurch werden die Drehbewegungen in der einen oder
anderen Richtung, die der Führungsring 7 um seine Achse 00 ausführt, als Näherung
oder Entfernung der Achse X 2-X2 gegenüber der zu ihr parallelen Achse Xi x1 übertragen.
Die Ortsveränderungen der Achse X2 X2 liegen (Fig. 4), im Querschnitt gesehen, auf
einem Kreisbogen, praktisch jedoch auf einer Geraden in der Richtung Xi X2.
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Man kann die Drehbewegung der Schnecke 15 mit den erwähnten Mitteln
auf beliebige Weise steuern. Man kann aber auch die Exzentrizität e und damit die
Förderleistung dadurch regeln, daß man die Drehbewegung des Führungsringes direkt,
also ohne Zwischenschaltung des Schneckengewindes, vornimmt. Man- kann z. B. ein
regelbares, elastisches Glied vorsehen, das gegen das Belastungsmoment arbeitet,
usw. Man kann auch einfach eine mechanische Einrichtung vorsehen, bei der der Führungsring
7 keine Drehbewegungen mehr um die Achse 00 ausführt, sondern entsprechende kleine
Translationsbewegungen in der Richtung Xi X2, um- so die gewünschten Veränderungen
der Exzentrizität zu erreichen.
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In einer Pumpe der beschriebenen Art ist der Block, der aus den beiden
Pyramidenstümpfen besteht; in axialer Richtung im Gleichgewicht, während die radialen
Stöße von dem Drehlager aufgenommen werden, .das zwischen dem Drehkörper 6 und dem
Führungsring 7 angeordnet ist. Die beiden zylindrischen Körper können beide mit
der Antriebswelle 5 verbunden sein, wie es in
Fig. 5 dargestellt
ist. Man erreicht dadurch zwar das Gleichgewicht in bezug auf die axialen Stöße,
erhält aber ein unerwünschtes Biegemoment in der Welle. Außerdem hat ein solcher
Körper eine große Länge, und es können sich unter Umständen Verformungen durch Wärmedehnungen
einstellen, so daß das Spiel zwischen den Verteilerflächen geändert wird und ein
Verlust an Dichtigkeit oder Fressungen auftritt., Aus diese-in Grunde ist vorgesehen
(Fig. 2), daß die zylindrischen Körper 2 und 2' axial gleitbar auf der Antriebswelle
5 aufgebracht sind und die Drehkraft durch Preßfedern usw. übertragen wird. Jeder
zylindrische Körper ist mit einem sehr geringen Spiel zwischen der entsprechenden
Deckelfläche und einem ebenen ringförmigen Ansatz 17, i7', der sehr sorgfältig bearbeitet
ist, eingepaßt. Das axiale Gleichgewicht wird dadurch erreicht, daß man entsprechende
Gegenkräfte 'durch das ausgebrachte Medium aufbringt. In der in Fig. 2 und 3 dargestellten
Ausführungsform erkennt man auf den Flächen der ringförmigen Ansätze 17, 17' Üffnungen
18, i8', die als Halbringnuten ausgebildet sind und in Verbindung mit dem Förderdruck
stehen. Die Oberfläche dieser Öffnungen ist gleich der Flächensumme der Differenzflächen
ig, ig', die auf jeden zylindrischen Körper eine resultierende axiale Stoßkraft
ausüben. Die Öffnungen 18 und 18' sind derart angeordnet, daß der Angriffspunkt
der gegenstoßenden Kraft, die von ihnen aufgebracht wird, mit dem Angriffspunkt
derjenigen axialen Stoßkraft zusammenfällt, die bei jedem zylindrischen Körper auf
die Endfläche wirkt.
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Es. ist konstruktiv von Bedeutung, daß bestimmte Flächen stärker dem
Verschleiß ausgesetzt sind, so daß diese eine größere Härte besitzen müssen. Es
ist zweckmäßig, diese Stellen besonders zu härten. .Man kann sie z. B. thermisch
behandeln oder einer Oberflächenhärtung unterwerfen, oder man kann ringförmige Einsätze
an den gewünschten Stellen vorsehen. Um die Vorrichtung zwischen den Verteilerflächen
dicht zu halten, kann man z. B. in jeder Deckelfläche eine gefräste Rinne vorsehen,
die die Austrittsöffnung 12, 12' umgibt und in die (Fig.,8 und g) eine Dichtung
20, 2o' aus Gummi, Kupfer oder anderem geeigneten Material eingelegt ist. Jeder
zylindrische Körper ist dann mit einer Abschlußplatte 21, 21' versehen, deren plangeschliffene
Fläche gegenüber der festen Deckelfläche io, iö bewegbar ist. Das Medium gelangt
durch die Abschlußfläche 21, 21' durch kleine Öffnungen, die so geneigt sind, daß
die Dichtung nicht angegriffen wird, wenn sich die Öffnungen an ihr vorbeibewegen
(die Fläche 21, 21" weist also keine scharfen Kanten auf).
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Die Schmierung kann durch das geförderte Medium selbst erfolgen. Zu
diesem Zweck kann man jeden Kolben mit einer zentral angeordneten. Bohrung versehen,
die von einem Ende zum anderen reicht und -zur Schmierung zwischen den geneigten
Gleitflächen dient. Weiter sind kleine radiale Bohrungen vorgesehen, die von der
Zentralbohrung zur Außenfläche des Kolbens führen. Ein geeignetes Leitungssystem
für die Rückführung des aus den Leckstellen ausgeflossenen Mediums zur Ansaugöffnung
der Pumpe ist dann notwendig. Ebenso muß eine gute Packung bei der Eintrittsstelle
der Motorwelle in das G_ ehäuse vorgesehen werden: Theoretisch ist es nicht erforderlich,
daß die beiden Pyramidenstümpfe regelmäßig sind. Sie könnten jeder eine ungleiche
Zahl von Flächen besitzen, die jede eine bestimmte Neigung und selbst auch eine
verschiedene Orientierung haben könnten. Es würde in diesem Fall genügen, daß jede
geneigte Endfläche der Kolben entsprechend der mit ihr zusammenarbeitenden Fläche
des Pyramidenstumpfes so gerichtet ist, so daß sie in der Ausgangslage mit -dieser
in Flächenberührung steht. Man würde dadurch bei einer bestimmten Exzentrizität
e für jedenKolben eine besondere Bewegung erhalten, wobei die Kolben selbst ungleich
verteilt und in verschiedenen axialen Abständen in den zylindrischen Körpern untergebracht
sein können.
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Als weitere Variationsmöglichkeit kann man eine Pumpe vorsehen, bei
der die Gruppe der beiden zylindrischen Körper feststeht. Diese Einrichtung kann
zweckmäßig sein, wenn sehr hohe Drücke auftreten und die Verteilung mit Hilfe von
Ventilen vorgenommen werden muß, da die Schwie-rigkeiten, die Vorrichtung dicht
zu halten, die Verteilung durch kreisbogenförmige Öffnungen gegenüber der Deckelfläche
unmöglich machen. Um die zylindrischen Körper fest anzuordnen, genügte es theoretisch,
jeder der beiden vorerwähnten Gruppen, also der Gruppe der beiden zylindrischen
Körper und der Gruppe der beiden Pyramidenstümpfe, eine gleiche entgegengesetzte--Drehbewegung
zu erteilen, wie sie vorher um die Achse Xi x, vorgesehen war. Da., läuft praktisch
darauf hinaus, daß die beiden zylindrischen Körper mit dem Gehäuse zu verbinden
sind und die Gruppe der Pyramidenstümpfe mit der Winkelgeschwindigkeit c) um die
Achse Xi x1 anzutreiben ist. Diese führen also eine Satellitenbewegung um die Achse
X,- X1 der Pumpe aus.