EP0226737A2 - Antriebsvorrichtung für eine Pumpe, insbesondere eine Flüssigkeitsdosierpumpe - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a drive device for a pump, in particular a liquid metering pump, of the type specified in the preamble of claim 1.
- Known metering pumps with an electromotive drive of this type have a reduction gear via which an eccentric or cam disk is driven, which in turn acts on the pump tappet.
- the return stroke is carried out with a return spring.
- a stroke limiter can also be provided, which is adjustable from the outside.
- This principle can be used for both diaphragm pumps and piston pumps.
- the motor power is only used to advance the pump tappet.
- the engine is turned back empty on the return stroke.
- the drive motor must be designed with regard to its power for the peak load. In the known metering pumps, however, this means that the available engine power remains unused over a large part of the stroke cycle, especially during the return stroke, so that on average an oversizing of the motor is required.
- the invention is therefore based on the object of improving the known drive device to the effect that, despite the same peak load in the feed phase, a smaller motor dimensioning is made possible.
- the solution according to the invention is based on the idea that during the return phase of the pump tappet motor energy is stored in the form of potential mechanical energy which can be used in the feed phase to support the motor force. Accordingly, an arrangement for storing mechanical energy is provided according to the invention, which can be charged to a state of higher potential energy in the course of the return phase of the pump tappet by the motor-driven eccentric or cam disc and through which a force directed against the force of the return spring can be transmitted to the pump tappet.
- the storage arrangement has at least one spring under prestress as the storage member.
- a compression spring in particular a disk spring package, is particularly suitable for this.
- Coil springs, torsion springs or spiral springs are also possible as spring elements.
- the storage arrangement expediently has a storage plunger which can be displaced by the motor-driven disk in opposition to the force of the storage member and a disk which is arranged between the pump tappet and the storage tappet bridging coupling link.
- the coupling member keeps the mutually facing end faces of the two tappets acting against the disk at a distance from one another which is slightly larger, preferably by about 0.05 to 0.1 mm, than the disk diameter.
- An optimal adaptation of the storage arrangement to the pump load is achieved if the force that can be transmitted from the storage arrangement to the pump tappet corresponds to approximately 25 to 50% of the peak load and if the force to be used by the motor-driven disk to load the storage arrangement is a maximum of approximately 50 to 75% of the corresponds to the peak load occurring on the side of the pump tappet.
- Such a drive device can provide about 30% more pump power for a given power of the electric motor.
- a correspondingly smaller and therefore cheaper motor than previously can be used for a given pump output.
- the drive device shown in the drawing essentially consists of a motor-driven eccentric disc 10, a pump plunger 14 which can be displaced by the eccentric disc against the force of a return spring 12, and an arrangement 16 for storing mechanical energy.
- the storage arrangement 16 has a storage tappet 20 guided in a guide 18 fixed to the housing and a set of disc springs 26 which are arranged on the tappet 20 and are preloaded between a tappet shoulder 22 and a shoulder 24 fixed to the housing.
- a coupling member 28 is integrally formed on the storage plunger 20, which cages-like grips around the eccentric disk with its cantilevers 29 and can be abutted with its end face 30 against an annular shoulder 32 of the pump plunger 14.
- the end face 30 of the coupling member 28 is formed by an annular stop shoe 30 'which is guided on the rear part 14' of the pump tappet 14.
- the eccentric disk 10 which consists of an inner disk 34 and an eccentric disk 36 supported on this ball bearing 36, is mounted with its eccentric axis of rotation 38 on the output shaft of an electric gear or stepping motor, not shown.
- This axis of rotation 38 is arranged in a fixed position between the two tappet guides 18, 40.
- the eccentric disc is located between the mutually facing end faces 42, 44 of the two plungers 14, 20, against which it strikes alternately with its lateral surface 46, depending on the rotational position.
- the coupling member 28 of the storage tappet 20, which abuts against the annular shoulder 32 of the pump tappet 14, defines a distance between the two end faces 42, 44, which is slightly larger, preferably about 0.05 to 0.1 mm, larger than the disk diameter than the ram stroke is.
- the eccentric disk 10 In the initial state shown in FIG. 1, the eccentric disk 10 is maximally deflected towards the storage tappet 20 and bears centrally against its end face 44.
- the spring assembly 26 is compressed between its two shoulders 22, 24 to its smallest extent and has the maximum potential energy in the course of a cycle.
- the pump plunger 14 bears against the limiting pin 48 with its stop surface 52. Both the eccentric disc 10 and the coupling member 28 are lifted off the associated end or shoulder surface 32, 42 of the pump tappet.
- the storage tappet 20 moves while expanding the spring assembly in the direction of the pump tappet 14 until the coupling member 28 with its stop shoe 30 'against the annular shoulder 32 of the pump tappet 14 strikes and this lifts under the action of the force of the spring assembly 26 against the force of the return spring 12 from the stop 50.
- the counterforce to be overcome increases until it finally corresponds to the force transmitted by the spring assembly 26. From this point on, the eccentric disc 10 lifts off from the end face 44 of the storage tappet 20 and strikes against the rear end face 42 of the pump tappet 14, so that the missing force is now transmitted from the motor to the pump tappet 14.
- spring assembly 26 contributes to a certain extent due to its pretensioning to overcome the counterforce.
- spring properties and preload are selected so that when the peak load in the state of FIG. 3 is reached, approximately 25 to 50% of the feed force acting on the pump tappet 14 is still transmitted by the storage arrangement 16.
- the pump plunger 14 is gradually moved back under the action of the return spring 12 until it strikes the limiting pin 48. From the point of the equilibrium of forces, but at the latest after the stop of the pump tappet 14, the eccentric disc 10 lifts off the end face 42 of the pump tappet 14 and acts on the end face 44 of the storage tappet 20. In this phase, the spring assembly 26 is compressed using motor power and brought to a state of higher potential energy.
- the spring properties are expediently chosen so that the peak force to be applied in the state of FIG. 1 corresponds to approximately 50 to 75% of the peak load occurring on the side of the pump tappet.
- the eccentric shaft 10 ' is rotatably mounted on an upper and a lower, not shown, lower ball bearing 64 with the help of the motor 66 and the reduction gear 68 about the eccentric axis 38.
- the pump tappet 14 is under the action of the return spring designed as a helical compression spring 12 with its end face 42 against the outer ring 36 'of the ball bearing 60 on its outer surface 46', while the storage tappet 20 under the action of the helical compression spring 26 serving as a storage member with its end face 44 against the lateral surface 46 '' of the outer ring 36 '' of the ball bearing 62 abuts.
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für eine Pumpe, insbesondere eine Flüssigkeitsdosierpumpe, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.
- Bekannte Dosierpumpen mit elektromotorischem Antrieb dieser Art weisen ein Untersetzungsgetriebe auf, über das eine Exzenter- oder Kurvenscheibe angetrieben wird, die ihrerseits auf den Pumpenstößel einwirkt. Der Rückhub wird mit einer Rückholfeder ausgeführt. Weiter kann ein Hubbegrenzer vorgesehen sein, der von außen einstellbar ist. Dieses Prinzip ist sowohl für Membranpumpen als auch für Kolbenpumpen anwendbar. Die Motorkraft wird dort nur für den Vorschub des Pumpenstößels aufgewandt. Beim Rückhub wird der Motor leer zurückgedreht. Im Verlauf des Vorschubs nimmt die vom Elektromotor auf den Pumpenstößel zu übertragende Kraft von einem relativ niedrigen Wert stetig bis zu einem Spitzenwert bei maximaler Auslenkung zu. Der Antriebsmotor muß dabei hinsichtlich seiner Leistung fur die Spitzenlast ausgelegt werden. Bei den bekannten Dosierpumpen bedeutet dies aber, daß über einen großen Teil des Hubzyklus, vor allem beim Rückhub, die zur Verfügung stehende Motorleistung ungenutzt bleibt, so daß im Mittel eine Überdimensionierung des Motors erforderlich ist.
- Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die bekannte Antriebsvorrichtung dahingehend zu verbessern, daß trotz gleicher Spitzenbelastung in der Vorschubphase eine kleinere Motordimensionierung ermöglicht wird.
- Zur Lösung dieser Aufgabe wird ie im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 angegebene Merkmalskombination vorgeschlagen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
- Der erfindungsgemäßen Lösung liegt der Gedanke zugrunde, daß während der Rückholphase des Pumpenstößels Motorenergie in Form von potentieller mechanischer Energie gespeichert wird, die in der Vorschubphase zur Unterstützung der Motorkraft genutzt werden kann. Dementsprechend ist erfindungsgemäß eine Anordnung zur Speicherung mechanischer Energie vorgesehen, die im Verlauf der Rückholphase des Pumpenstößels durch die motorgetriebene Exzenter- oder Kurvenscheibe auf einen Zustand höherer potentieller Energie aufladbar ist und durch die eine entgegen der Kraft der Rückholfeder gerichtete Kraft auf den Pumpenstößel übertragbar ist.
- Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Speicheranordnung mindestens eine unter Vorspannung stehende Feder als Speicherorgan auf. Hierfur kommt vor allem eine Druckfeder, insbesondere ein Tellerfedernpaket in Betracht. Aber auch Schraubenfedern, Torsionsfedern oder Spiralfedern sind als Federorgane möglich. Grundsätzlich ist es auch möglich, ein elastomeres Material oder einen Gasdruckspeicher als Speicherorgane zu verwenden.
- Die Speicheranordnung weist zweckmäßig einen im Gegentakt zum Pumpenstößel entgegen der Kraft des Speicherorgans durch die motorgetriebene Scheibe verschiebbaren Speicherstößels sowie ein zwischen dem Pumpenstößel und dem Speicherstößel angeordnetes, die Scheibe über brückendes Kopplungsglied auf. Das Kopplungsglied hält die einander zugewandten, gegen die Scheibe wirkenden Stirnflächen der beiden Stößel auf einem Abstand voneinander, der geringfügig, vorzugsweise um etwa 0,05 bis 0,1 mm, größer als der Scheibendurchmesser ist.
- Eine optimale Anpassung der Speicheranordnung an die Pumpenlast wird dann erzielt, wenn die von der Speicheranordnung auf den Pumpenstößel übertragbare Kraft etwa 25 bis 50 % der Spitzenlast entspricht und wenn die von der motorgetriebenen Scheibe zur Ladung der Speicheranordnung aufzuwendende Kraft maximal etwa 50 bis 75 % der auf der Seite des Pumpenstößels auftretenden Spitzenlast entspricht. Eine solche Antriebsvorrichtung kann bei gegebener Leistung des Elektromotors um etwa 30 % mehr Pumpenleistung erbringen. Umgekehrt kann bei gegebener Pumpenleistung ein entsprechend kleinerer und dadurch billigerer Motor als bisher verwendet werden.
- In der Zeichnung ist ein bevorzugtes Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung in schematischer Weise dargestellt. Es zeigen:
- Fig. 1 bis 3 eine Draufsicht auf eine Antriebsvorrichtung für einen Pumpenstößel mit mechanischer Speicheranordnung in verschiedenen Betriebszuständen.
- Fig. 4 einen senkrechten Schnitt durch ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel einer Antriebsvorrichtung.
- Die in der Zeichnung dargestellte Antriebsvorrichtung besteht im wesentlichen aus einer motorisch angetriebenen Exzenterscheibe 10, einem durch die Exzenterscheibe entgegen der Kraft einer Rückholfeder 12 verschiebbaren Pumpenstößel 14 sowie einer Anordnung 16 zur Speicherung mechanische Energie. Die Speicheranordnung 16 weist einen in einer gehäusefesten Führung 18 geführten Speicherstößel 20 sowie einen Satz auf dem Stößel 20 angeordneter, zwischen einer Stößelschulter 22 und einer gehäusefesten Schulter 24 unter Vorspannung eingespannter Tellerfedern 26 auf. An dem Speicherstößel 20 ist ein Kopplungsglied 28 angeformt, das die Exzenterscheibe mit seinen Auslegern 29 im seitlichen Abstand käfigartig umgreift und mit seiner Stirnfläche 30 gegen eine Ringschulter 32 des Pumpenstößels 14 anschlagbar ist. Die Stirnfläche 30 des Kopplungsgliedes 28 ist durch einen ringförmigen Anschlagschuh 30′ gebildet, der auf dem rückwärtigen Teil 14′ des Pumpenstößels 14 gefuhrt ist.
- Die aus einer Innenscheibe 34 und einem auf dieser kugelgelagerten Laufring 36 bestehende Exzenterscheibe 10 ist mit ihrer exzentrischen Drehachse 38 auf der Abtriebswelle eines nicht dargestellten elektrischen Getriebe- oder Schrittmotors gelagert. Diese Drehachse 38 ist ortsfest zwischen den beiden Stößelführungen 18,40 angeordnet. Die Exzenterscheibe befindet sich zwischen den einander zugewandten Stirnflächen 42,44 der beiden Stößel 14,20, gegen die sie mit ihrer Mantelfläche 46 je nach Drehlage wechselweise anschlägt. Durch das gegen die Ringschulter 32 des Pumpenstößels 14 anschlagende Kopplungsglied 28 des Speicherstößels 20 wird zwischen den beiden Stirnflächen 42,44 ein Abstand definiert, der geringfügig, vorzugsweise um ca. 0,05 bis 0,1 mm, größer als der Scheibendurchmesser aber wesentlich kleiner als der Stößelhub ist. Aus Gründen der besseren Darstellung sind diese Abstände in der Zeichnung nicht maßstäblich wiedergegeben. Zur Einstellung des Pumpenhubs ist am Gehäuse ein stift förmiger Begrenzungsanschlag 48 in seiner Achsrichtung verschiebbar angeordnet, gegen dessen kegelförmige Spitze 50 eine schräge Anschlagfläche 52 des Pumpenstößels 14 unter der Einwirkung der Rückholfeder 12 anschlagbar ist.
- In dem in Fig. 1 dargestellten Ausgangszustand ist die Exzenterscheibe 10 zum Speicherstößel 20 hin maximal ausgelenkt und liegt gegen dessen Stirnfläche 44 zentral an. Das Federpaket 26 ist zwischen den beiden Schultern 22,24 auf seine geringste Ausdehnung zusammengedrückt und weist die im Verlauf eines Zyklus maximale potentielle Energie auf. Auf der anderen Seite liegt der Pumpenstößel 14 mit seiner Anschlagfläche 52 gegen den Begrenzungsstift 48 an. Sowohl die Exzenterscheibe 10 als auch das Kopplungsglied 28 ist von der zugehörigen Stirn- bzw. Schulterfläche 32,42 des Pumpenstößels abgehoben.
- Wird nun die Exzenterscheibe um die Achse 38 im Uhrzeigersinn in die in Fig. 2 gezeigte Stellung weitergedreht, so verschiebt sich der Speicherstößel 20 unter Ausdehnung des Federpakets in Richtung Pumpenstößel 14, bis das Kopplungsglied 28 mit seinem Anschlagschuh 30′ gegen die Ringschulter 32 des Pumpenstößels 14 anschlägt und diesen unter der Einwirkung der Kraft des Federpakets 26 entgegen der Kraft der Rückholfeder 12 vom Anschlag 50 abhebt. Im weiteren Verlauf des Stößelvorschubs nimmt die zu überwindende Gegenkraft zu, bis sie schließlich der vom Federpaket 26 übertragenen Kraft entspricht. Von diesem Punkt an hebt die Exzenterscheibe 10 von der Stirnfläche 44 des Speicherstößels 20 ab und schlägt gegen die rückwärtige Stirnfläche 42 des Pumpenstößels 14 an, so daß die fehlende Kraft nunmehr vom Motor auf den Pumpenstößel 14 übertragen wird. Auch im letzten Abschnitt der Vorschubbewegung bis zu der in Fig. 3 gezeigten Stellung trägt jedoch das Federpaket 26 aufgrund seiner Vorspannung zur Überwindung der Gegenkraft mit einem gewissen Anteil bei. Zweckmäßig werden Federeigenschaften und Vorspannung so gewählt, daß bei Erreichen der Spitzenlast im Zustand der Fig. 3 noch etwa 25 bis 50 % der auf den Pumpenstößel 14 einwirkenden Vorschubkraft von der Speicheranordnung 16 übertragen werden.
- Beim Weiterdrehen der Exzenterscheibe 10 im Uhrzeigersinn vom Zustand der Fig. 3 aus wird der Pumpenstößel 14 unter der Einwirkung der Ruckholfeder 12 allmählich zurückbewegt, bis er gegen den Begrenzungsstift 48 anschlägt. Vom Punkt des Kräftegleichgewichts an, spätestens jedoch nach dem Anschlag des Pumpenstößels 14 hebt die Exzenterscheibe 10 von der Stirnfläche 42 des Pumpenstößels 14 ab und wirkt auf die Stirnfläche 44 des Speicherstößels 20 ein. In dieser Phase wird das Federpaket 26 unter Aufwendung von Motorkraft zusammengedrückt und auf einen Zustand höherer potentieller Energie gebracht. Die Federeigenschaften werden dabei zweckmäßig so gewählt, daß die aufzuwendende Spitzenkraft im Zustand der Fig. 1 etwa 50 bis 75 % der auf der Seite des Pumpenstößels auftretenden Spitzenlast entspricht.
- Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausfuhrungsbeispiel ist die Exzenterwelle 10′ an einem oberen und einem nicht gezeigten unteren gehäusefest angeordneten Kugellager 64 mit Hilfe des Motors 66 und des Untersetzungsgetriebes 68 um die Exzenterachse 38 drehbar gelagert. Auf der Exzenterwelle 10′ sind zwei voneinander getrennte Kugellager 60,62 im Abstand voneinander ange ordnet. Der Pumpenstößel 14 liegt unter der Einwirkung der als Schraubendruckfeder ausgebildeten Rückholfeder 12 mit seiner Stirnfläche 42 gegen den Außenring 36′ des Kugellagers 60 an deren Mantelfläche 46′ an, während der Speicherstößel 20 unter der Einwirkung der als Speicherorgan dienenden Schraubendruckfeder 26 mit seiner Stirnfläche 44 gegen die Mantelfläche 46′′ des Außenrings 36′′ des Kugellagers 62 anliegt. Beim Drehen des Exzenters 10′ kann somit der jeweilige Außenring 36′,36′′ auf der Stirnfläche 42,44 des betreffenden Stößels abrollen, ohne daß dabei eine Querreibung entsteht. Ein zusätzliches Kopplungsglied ist bei diesem Ausführungsbeispiel entbehrlich.
- Grundsätzlich ist es auch möglich, unter Verwendung nur eines Kugellagers auf der Exzenterwelle 10′ die Stößel 12,20 gemeinsam ohne Kopplungslied von einander gegenüberliegenden Seiten auf den Außenring 36 des Kugellagers einwirken zu lassen. Hierbei müssen zwar Gleitreibungsverluste zwischen den beiden Stößeln und dem Außenring in Kauf genommen werden. Es wird dadurch jedoch vermieden, daß auf die Exzenterwelle 10′ ein von den Lagern 64 aufzunehmendes Drehmoment ausgeübt wird. Außerdem wird eines der Kugellager 60,62 eingespart, so daß man insgesamt eine kostengünstigere Bauweise erhält. Die Gleitreibungreibung im Bereich des Außenrings kann im übrigen durch geeignete Maßnahmen, beispielsweise durch Gleitmittel, eine Gleitbeschichtung oder Laufrollen reduziert werden.
Claims (14)
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DE19853537297 DE3537297A1 (de) | 1985-10-19 | 1985-10-19 | Antriebsvorrichtung fuer eine pumpe, insbesondere eine fluessigkeitsdosierpumpe |
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