EP0401408B1

EP0401408B1 - Radialkolbenmaschine

Info

Publication number: EP0401408B1
Application number: EP89110348A
Authority: EP
Inventors: Jürgen Dr.-Ing. Berbuer
Original assignee: LuK Fahrzeug Hydraulik GmbH and Co KG
Current assignee: LuK Fahrzeug Hydraulik GmbH and Co KG
Priority date: 1989-06-08
Filing date: 1989-06-08
Publication date: 1993-12-29
Anticipated expiration: 2009-06-08
Also published as: JPH086682B2; JPH03115782A; DE58906590D1; EP0401408A1; US5079994A

Description

Die Erfindung betrifft eine Radialkolbenmaschine, insbesondere eine Radialkolbenpumpe für Automobile.
Eine Radialkolbenmaschine der hier angesprochenen Art ist aus der US-Patentschrift US-A-3 087 437 bekannt. Sie weist einen Zylinderstern mit radial verlaufenden Zylinderbohrungen auf, in denen jeweils ein einteiliger Kolben schwenkbar geführt ist. Dieser umfaßt einen sphärischen Kolbenkopf, einen Kolbenhals und einen mit einem exzentrisch zum Zylinderstern angeordneten Hubring zusammenwirkenden Kolbenschuh. Es hat sich gezeigt, daß die Kolbenköpfe im Betrieb der Radialkolbenmaschine einem hohen Verschleiß ausgesetzt sind, da die Umsetzung zwischen hydraulischem Druck und Drehmoment durch Tangentialkräfte aufgrund von zwischen Kolben und Wandung der Zylinderbohrung erfolgt.
Auch aus der deutschen Offenlegungsschrift DE-A 24 60 512 ist eine Radialkolbenmaschine mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen bekannt. Auch hier ist daher ein Zylinderstern mit Zylinderbohrungen vorgesehen, in denen jeweils ein einteiliger Kolben geführt ist. Eine weitere Radialkolbenmaschine ist aus der britischen Patentschrift GB-A-1 468 658 bekannt, die wiederum einen Zylinderstern mit Zylinderbohrungen aufweist, in denen jeweils ein einteiliger Kolben schwenkbar geführt ist. Auch bei diesen Radialkolbenmaschinen stellt sich im Betrieb ein hoher Verschleiß der Kolbenköpfe ein, weil die Umsetzung zwischen hydraulischem Druck und Drehmoment durch Tangentialkräfte zwischen Kolben und Wandung der Zylinderbohrung erfolgt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Radialkolbenmaschine zu schaffen, die sich durch einen stark reduzierten Verschleiß im Bereich der Kolbenköpfe auszeichnet.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Radialkolbenmaschine mit Hilfe der in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Eine Besonderheit der Radialkolbenmaschine besteht darin, daß sich die Kolben beim Umlauf des Zylindersterns schrägstellen. Dadurch, daß der Kolbenkopf mit einer einen Kolbenring aufnehmenden Kolbennut versehen ist, deren dem Kolbenhals zugewandter Rand am größten Durchmesser des Kolbenkopfes angeordnet ist, wobei der Kolbenring eine konisch-ballige Außenoberfläche aufweist, ergibt sich eine Liniendichtung zwischen Kolbenring und Innenwand der den Kolben aufnehmenden Zylinderbohrung. Die Dichtlinie wird bei einer Schwenkung des Kolbens innerhalb der Zylinderbohrung gegenüber der Mittelachse dieser Bohrung gekippt, so daß sich innerhalb der Zylinderbohrung verschieden große Wandbereiche ergeben, auf die der Druck des die Radialkolbenmaschine durchströmenden Fluids wirkt. Es entsteht daher eine resultierende Kraft, die den Zylinderstern in Rotation versetzt, so daß die Kolben den Zylinderstern praktisch nicht mehr mit Antriebskräften beaufschlagen. Dies bedeutet, daß Druck in Drehmoment (und umgekehrt) direkt umgesetzt wird, so daß die Kolben insofern von einer Querkraft entlastet werden.
Der größte Schrägstellungswinkel α stellt sich bei einer Kolbenposition von 90° ein, wenn die Nullstellung in der Hauptexzentrizitätsebene angenommen wird. Die Größe dieses Schrägstellungswinkels α hängt von dem Ausmaß der Exzentrizität des Hubrings ab, die wiederum mit der Zylinderlänge in Beziehung steht. Bei dem erfindungsgemäßen Aufbau können maximale Schrägstellungswinkel α von etwa 10° erreicht werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt der Schrägstellungswinkel α = 7,75°.
Wegen der wechselnden Schrägstellung der Kolben wird eine Liniendichtung mittels eines Kolbenringes bevorzugt, der sich der wechselnden Form zwischen Elipse und Kreis anpassen kann und zu keinem übermäßigen Kantenpressungen führt. Auch zu diesem Zweck ist die Kolbenringnut mit ihrem halsseitigen Rand am größten Durchmesser des Kolbenkopfes angeordnet und der Kolbenring mit einer konisch-balligen Außenoberfläche ausgestattet. Die Grundform des Kolbenrings ist demnach konisch, wobei der Kolbenring am größten Durchmesser ballig überarbeitet ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Radialkolbenmaschine ist die Länge der jeweiligen Zylinderbohrung nur unwesentlich größer als der Hub des zugehörigen Kolbens. Ferner kann die Zu- und Abfuhr des Fluids raumsparend durch den zentral angeordneten Steuerspiegelzapfen erfolgen, das heißt, man kann Zu- und Abflußkanäle in radial äußeren Gehäuseteilen vermeiden. Die Fertigung ist insofern kostengünstig, als es sich im wesentlichen um rotationssymmetrische Bauteile handelt, die Kolben einfache Bauform aufweisen und auch keine erhöhten Ansprüche an die Fertigungsgenauigkeit der Zylinderbohrungen gestellt werden müssen.
Der Kolbenschuh, der vorzugsweise einstückig mit dem Kolbenhals und dem Kolbenkopf gefertigt ist, weist eine zylindrische Tragfläche auf, um sich an der
Innenlauffläche des Hubringes abzustützen. Im Falle einer reinen hydrodynamischen Lagerschmierung ist die zylindrische Tragfläche asymmetrisch über dem Kolbenhals mit dem Kolbenkopf verbunden, wobei der in Laufrichtung vordere Tragflächenteil größer als der hintere Tragflächenteil ist. Wenn die Tragflächen der Kolbenschuhe über eine Bohrung im Kolben vom jeweiligen Pumpenraum her geschmiert werden, kann man auch eine symmetrische Anordnung von Kolbenschuh und Kolbenkopf vornehmen. Diese Art der Schmierung führt im übrigen zur hydrostatischen Entlastung der Kolben.
Um im übrigen die Korperschallanregung zu verringern, kann man das zwischen Trennsteg und Zylinderraum eingeschlossene Fluid vorzukomprimieren, bevor es mit dem eigentlichen Druckraum verbunden wird. Wenn die Vorkompression im Verbindungszeitpunkt exakt dem Druck im Druckraum entspricht, gibt es keine Körperschallanregung. Deshalb wird der Trennsteg zwischen Niederdruck und Hochdruck in Drehrichtung der Pumpe um einen Betrag τ verbreitert, der geeignet ist, eine passende Vorkompression des eingeschlossenen Druckfluids zu erzeugen. Die Anpassung an unterschiedliche Betriebsdrücke kann durch Vorsteuerkerben vorgenommen werden.
Wenn die Radialkolbenmaschine mit veränderbarem Verdrängungsvolumen ausgebildet ist, bedeutet dies, daß die jeweiligen Kolbenhübe verringert und damit auch der erreichbare Vorkompressionsdruck mit abnehmendem Verdrängungsvolumen reduziert wird. Der Hubring der Radialkolbenmaschine wird tangential entlang einer besonders ausgerichteten Führung verstellt, wodurch die Exzentrizität des Hubringes in bestimmter Weise räumlich ausgerichtet wird, was sich wie eine Verstellung des Vorlaufwinkels zwischen Pumpenstern und Steuerzapfen bemerkbar macht. Im einzelnen ist der Hubring tangential entlang einer Führung um einen ersten Exzentrizitätsbetrag verstellbar, und der senkrechte Abstand der Führung von der Drehachse des Zylindersterns ist um einen zweiten Exzentrizitätsbetrag kleiner als der Durchmesser des Hubrings. Durch diese Maßnahmen wird überraschenderweise ein etwa gleichbleibender Vorkompressionsweg unabhängig von der Verdrängungseinstellung der Maschine erzielt.
Wenn es sich um Radialkolbenmaschinen handelt, bei denen sich das Totvolumen bei der Verdrängungsverstellung ändert, dann kann bei Bedarf der zweite Exzentrizitätsbetrag hubabhängig variiert werden, indem die Führung des Hubringes eine geneigte Anlagefläche erhält. Die neuartige Radialkolbenmaschine kann ein- oder mehrscheibig aufgebaut sein, d. h. es können zwei oder mehrere nebeneinander angeordnete Zylindersterne vorgesehen sein, die auf dem gleichen Steuerspiegelzapfen laufen und untereinander über Mitnahmemittel verbunden sind.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1: einen Längsschnitt durch eine Radialkolbenpumpe,
Fig. 2: einen schematischen Querschnitt,
Fig. 3: eine vergrößerte Einzelheit, nämlich einen Kolbenschuh,
Fig. 4: eine Seitenansicht eines Kolbens,
Fig. 5: die Ansicht eines weiteren Kolbenschuhs,
Fig. 6: einen Querschnitt durch einen Kolben,
Fig. 7: einen Querschnitt durch einen Kolbenring in vergrößerter Darstellung,
Fig. 8: einen Längsschnitt durch eine Radialkolbenpumpe mit zwei Zylindersternen und
Fig. 9: einen schematischen Querschnitt der Pumpe nach Fig. 11.

Es wird auf Fig. 1 und 2 Bezug genommen. In einem Gehäuse 1 ist ein Steuerspiegelzapfen 2 abgedichtet eingefügt. Einlaßkanäle 3 und Auslaßkanäle 4 führen jeweils zu Einlaßnuten 5 bzw. Auslaßnuten 6. Die Nuten 5 und 6 sind durch Trennstege 7 und 8 voneinander getrennt. Der Steuerspiegelzapfen 2 weist noch eine mittige Bohrung 9 auf, durch die eine Welle 10 hindurchgeführt ist, um ein weiteres, nicht dargestelltes Aggregat anzutreiben. Die Welle 10 ist über Lager 11 im Gehäuse 1 gelagert und treibt eine Antriebsscheibe 12 über eine Keilverzahnung 13 oder dergleichen an. Die Antriebsscheibe 12 ist mit einem Zylinderstern 14 verbunden, der mit einer Anzahl radial verlaufender Zylinderbohrungen 15 versehen ist, die an ihrem Boden 16 mit jeweils einer Durchlaßöffnung 17 versehen sind. Die Anzahl der Zylinderbohrungen 15 ist in einem gewissen Rahmen frei wählbar, d. h. es können sowohl geradzahlige als auch ungeradzahlige Zylinderzahlen verwendet werden. Eine Zylinderzahl Z = 8 wird deshalb bevorzugt, weil sie einen guten Kompromiß zwischen den Anforderungen nach geringer Baugröße und geringer Volumenstrompulsation bildet und außerdem genügend Platz für den Steuerspiegelzapfen 2 bietet.
In jeder Zylinderbohrung 15 ist ein einteiliger Kolben 20 geführt, der einen sphärischen Kolbenkopf 21, eine Kolbennut 22, einen Kolbenhals 23 und einen Kolbenschuh 24 aufweist. Die Nut 22 ist längs des größten Durchmessers des sphärischen Kolbenkopfes 21 gestellt, und zwar fällt der halsseitige Rand der Kolbennut 22 mit dem Äquator des Kolbenkopfes 21 zusammen.
Wie aus Fig. 3 und 4 hervorgeht, besitzt der Kolbenschuh 24 einen rechteckförmigen Umriß und eine zylindrische Tragfläche, bei der man ein vorderes Tragflächenteil 25 und ein rückwärtiges Tragflächenteil 26 unterscheiden kann. Die Flächenanteile dieser beiden Tragflächenteile betragen 58 bzw. 42 %. Der Schuh 24 ist asymmetrisch mit Kolbenhals 23 und Kolbenkopf 21 verbunden. Diese Gestaltung wird bei hydrodynamischer Schmierung eingesetzt, da der Auftrieb an dem rückwärtigen Tragflächenteil 26 etwas größer als am vorderen Tragflächenteil 25 ist.
Man kann die Tragflächenteile 25 und 26 auch symmetrisch anordnen, wie in Fig. 5 und 6 dargestellt ist, was vor allem dann in Betracht kommt, wenn ein Schmierkanal 27 vom Pumpraum 17 zu den Tragflächen 25, 26 hinführt. Die Tragflächenteile 25, 26 können auch durch eine Ringnut 28 unterbrochen sein, die eine dem Kopf 21 entsprechende Fläche eingrenzen und über eine Entlastungsbohrung 29 mit Niederdruck verbunden sind, um eine hydrostatische Entlastung zu bieten.
In der Kolbennut 22 ist ein geschlitzter Kolbenring 30 eingesetzt, dessen Schlitz 31 in Fig. 2 zu erkennen ist und der eine gewisse elastische Formänderung des Kolbenringes 30 ermöglicht, die deshalb notwendig ist, weil sich der Kolbenkopf 21 in der Zylinderbohrung 15 schrägstellen kann. Der Kolbenring 30 muß demnach zeitweise von der Kreisform in eine schwache Ellipsenform übergehen, wobei es außerdem zu Verschiebungen und Schwenkungen der äußeren Kolbenringfläche 32 zur Zylinderwand kommt. Außerdem wirkt der Fluiddruck auf den Kolbenring 30 von außen und auch von innen, der Kolbennut 22, her ein und, um den Fluiddruck auf dem Kolbenring auszugleichen, wäre eine trapezförmige Querschnittsform des Kolbenringes 30 zu bevorzugen. Um jedoch den Verschleiß infolge der erwähnten Schwenkbewegungen zu reduzieren und eine hydrodynamische Schmierung des Kolbenringes 30 zu ermöglichen, wird der Kolbenring 30 im Bereich seines größten Durchmessers 33 ballig gestaltet, wie am besten aus Fig. 7 bei 34 ersichtlich. Aus Herstellungsgründen kann der Balligkeitsradius auch bis zu dem kleineren Durchmesser des Kolbenrings weitergeführt werden.
Die Kolbenschuhe 24 arbeiten mit einem Hubring 35 (Fig. 1 und 2) zusammen, der eine Innenlauffläche 36 und eine Außenfläche 37 aufweist. Die Innenlauffläche 36 ist exzentrisch zum Zylinderstern 14 angeordnet und überträgt deshalb beim Umlauf des Zylindersterns eine Hubbewegung auf die Kolben 20. Der Rückhub wird durch Niederhalterringe 38 besorgt, die an der Innenseite der Kolbenschuhe 24 in dort ausgebildeten Randnuten eingreifen, so daß insgesamt eine Zwangsführung erzielt wird. Der zwischen Kolbenkopf 20 und Zylinderbohrung 15 eingeschlossene Pumpraum 18 erweitert sich bei den Einlaßnuten 5 und verengt sich bei den Auslaßnuten 6. Dadurch wird das Fluid auf der Seite 5 angesaugt und auf der Seite 6 verdrängt, woraus der Pumpenstrom resultiert.
Wenn mit einer Kolbenzahl Z = 8 ein maximales Fördervolumen von V = 12 cm³ pro Umdrehung erzielt werden soll, dann wird ein Kolbendurchmesser von D = 16 mm und eine Exzentrizität von e = 3,7 mm benötigt. Bei einer derartigen Radialkolbenmaschine müssen die Kolben 20 Schrägstellungen bis α = 7,75° zulassen. Wenn man auf eine noch höhere Exzentrizität und damit einen größeren Kolbenhub geht, nehmen die maximalen Schrägstellungen zu. Es wird angenommen, daß das beschriebene System maximale Schrägstellungswinkel α von 10° verträgt.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind die Trennstege 7 und 8 jeweils breiter als die Durchlassöffnungen 17, und zwar sind Verbreiterungsstellen im Winkelbereich τ wenigstens jeweils in Drehrichtung des Zylindersterns 14 versetzt angeordnet. Wenn demnach die Pumpräume 18 bei ihrem Umlauf über den Steg 7 wandern, dann beginnt der Kolben 20 bereits, das eingeschlossene Fluid zu komprimieren, bevor dieses mit der Nut 6 in Verbindung kommt, in welcher der Hochdruck herrscht. Wenn diese Vorkomprimierung genau dem Fluiddruck in der Nut 6 entspricht, kommt es zu keiner Druckentspannung und damit zu keiner Schallanregung. Man strebt deshalb an, den Betrag der Vorkomprimierung so auszulegen, daß er mit dem gewünschten Pumpendruck übereinstimmt. Abweichungen können durch Vorsteuerkerben im Bereich τ ausgeglichen werden, so lange diese Abweichungen nicht zu groß sind.
Die Trennstege 7, 8 können auch symmetrisch zur Ebene 40-40 angeordnet werden, wobei dann die Verbreiterungsstellen beidseitig liegen.
Die beschriebene Radialkolbenpumpe kann auch als Stellpumpe ausgebildet sein, wie Fig. 2 zeigt. Das Stellsystem wirkt entlang einer Stellebene 40 und weist einen kleinen Zylinder 41 mit kleinem Stellkolben 42 und einen großen Stellzylinder 43 mit großem Stellkolben 44 sowie eine Feder 45 auf. Der kleine Stellkolben 42 wird ständig mit dem Pumpendruck und der große Stellkolben 44 mit Steuerdruck beaufschlagt, der kleiner als der Pumpendruck ist. Es kann auf konstantes Fördervolumen oder auf konstanten Förderdruck geregelt werden, was nicht weiter beschrieben zu werden braucht. Im allgemeinen führt dies jedoch zu Verstellbewegungen des Hubringes 35 und damit zu veränderten Exzentrizitäten e und veränderten Vorkompressionsbeträgen, die damit fehlangepaßt an das System wären.
Fig. 8 und 9 zeigen, daß die Radialkolbenpumpe auch für zwei oder mehrere Zylindersterne 14 ausgelegt sein kann. Die einzelnen Zylindersterne werden über Mitnahmeklauen 48 oder dergleichen in ihrer Drehbewegung miteinander gekoppelt, während eine gewisse radiale Verschieblichkeit zwischen den Zylindersternen möglich bleibt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwei gemeinsame Sauganschlüsse 3 vorgesehen, während die Druckanschlüsse 4a, 4b für die beiden Pumpenscheiben getrennt sind. Es versteht sich, daß die Durchführung 9 für die Welle 10 nicht unbedingt benötigt wird und dieser Raum ebenfalls für Fluidkanäle ausgenutzt werden könnte.

Claims

Radialkolbenmaschine, insbesondere Radialkolbenpumpe für Automobile, mit folgenden Merkmalen:
ein Steuerspiegelzapfen (2) ist mit Einlaß- und Auslaßkanälen (3, 4) versehen, die zu entsprechenden, durch die Trennstege (7, 8) voneinander geschiedenen Einlaß- und Auslaßnuten (5, 6) für das die Maschine durchströmende Fluid führen;
ein Zylinderstern (14) ist relativ zum Steuerspiegelzapfen (2) drehbar gelagert und enthält eine Anzahl Zylinderbohrungen (15), die jeweils eine Durchlaßöffnung (17) besitzen, die je nach Drehstellung des Zylindersterns mit der Einlaßnut (5), der Auslaßnut (6) oder einem der Trennstege (7, 8) kooperiert;
in jeder Zylinderbohrung (15) ist ein einteiliger Kolben (20) schwenkbar geführt, der einen sphärischen Kolbenkopf (21), eine Kolbennut (22) und wenigstens einen darin eingesetzten Kolbenring (30), einen Kolbenhals (23) und einen mit einem exzentrisch zum Zylinderstern (14) angeordneten Hubring (35) zusammenwirkenden Kolbenschuh (24) aufweist, wobei die Gesamtlänge des Kolbens (20) größer als die Länge der zugehörigen Zylinderbohrung (15) gewählt ist,
der Hubring (35) überträgt beim Zylindersternumlauf eine Hubbewegung auf die Kolben (20), so daß die Kolben (20) sich um einen gewissen Winkel (α) schägstellen und der zwischen Kolbenkopf (21) und Zylinderbohrung (15) eingeschlossene Pumpraum (18) bei den Einlaßnuten (5) sich vergrößert und bei den Auslaßnuten (6) sich verkleinert,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbennut (22) mit ihrem halsseitigen Rand am größten Durchmesser des Kolbenkopfes (21) angeordnet ist und daß der Kolbenring (30) eine konisch-ballige Außenoberfläche (32) aufweist.
Radialkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtlänge eines Kolbens (20) nur wenig größer gewählt ist als die Länge einer zugehörigen Zylinderbohrung (15).
Radialkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Exzentrizität des Hubringes (35) auf einen Wert beschränkt ist, der zu einem Schrägstellungswinkel (α) der Kolben (20) von maximal 10° führt.
Radialkolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der größte Schrägstellungswinkel (α) etwa 7,75° beträgt.
Radialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenschuh (24) eine zylindrische Tragfläche (25, 26) aufweist, die asymmetrisch über dem Kolbenhals (23) mit dem Kolbenkopf (21) verbunden ist, wobei der in Laufrichtung vordere Tragflächenteil (25) größer als der hintere Tragflächenteil (26) ist.
Radialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragfläche (25, 26) des Kolbenschuhs (24) über einen Kanal (27) mit dem jeweiligen Pumpraum (18) verbunden ist.
Radialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennstege (7, 8) um einen Betrag (τ) verbreitert sind.
Radialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit zwei oder mehreren nebeneinander angeordneten Zylindersternen (14), die auf dem gleichen Steuerspiegelzapfen (2) laufen und untereinander über Mitnahmemittel (48) verbunden sind.