Axialkolbenpumpe
Die Erfindung betrifft eine Axialkolbenpumpe für konstanten und stufenlos veränderbaren Förderstrom, insbesondere Mineralöl oder synthetische Flüssigkeiten in Hydrauliksystemen, mit einer nicht rotierend angeordneten Schrägscheibe, deren Schwenkbereich stufenlos einstellbar ist, einer durch die Antriebswelle in Rotation vesetzten Kolbentrommel , in der achsparallel zur Welle mehrere Kolben angeordnet sind, die mittels Gleitschuh und Rückholplatte auf der Ebene der Schrägscheibe hydrostatisch gelagert sind, einer durch eine Gleitscheibe von der drehenden Kolbentrommel entkoppelten, drehfest angeordneten Steuerscheibe mit darin befindlichen nierenförmigen Steueröffnungen für die Zu- und Abführung der Flüssigkeit und Leckölbohrungen, wobei die Kolben pro Kolbentrommelumdrehung einen Saug- und Druckhub ausführen.
Bei Axialkolbenpumpen der Schrägscheibenbauart führen mehrere achsparallel zur Antriebswelle angeordnete Kolben in einer durch die Welle in Drehung versetzte Kolbentrommel einen Saug- und Druckhub pro Trommelumdrehung aus. Die Kolbenenden sind kugelig ausgebildet und lagern in Gleitschuhen in der Ebene der Schrägscheibe, die gehäusefest angeordnet ist. Bei der Rotation der Kolbentrommel öffnen und schließen sich die in der Steuerscheibe befindlichen nierenförmigen Steueröffnungen (Prospekt der Firma VOAC Hydraulik, Publikationsnummer 9349 D) . Pumpen mit gehäusefester Steuerscheibe erfordern, daß sich die rotierende Kolbentrommel auch bei durchbiegender Welle spaltfrei an der Steuerscheibe anlegt. Dies wird bei dieser bekannten Lösung durch eine in gewissen Grenzen winkelbewegliche Lagerung auf einer balligen Verzahnung der Welle ermöglicht. Damit kein Kippmoment auf die Kolbentrommel ausgeübt wird, müssen sich die angreifenden Kräfte gegenseitig ausgleichen. Dies ist für die angreifenden Axial- und Radialkräfte dann der Fall, wenn die Teilkreise, auf denen die Kolben und die Drucknieren liegen, den gleichen Durchmesser haben . Diese Kräfte versucht die DE 26 04 455 durch eine Einschränkung des Zylinderblockes gegenüber axialer und seitlicher Versetzung während des Pumpenbetriebes durch radial zwischen Welle und Kanalkappe angeordnete Zylinderblockeinschränkungsmittel zu kompensieren. Die Kanalplatte ist außerdem schwimmend zwischen dem Zylinderblock und der Kanalkappe angeordnet. Sie spricht auf innerhalb der Vorrichtung erzeugte hydrostatische Kräfte an.
Die hydrostatischen Ausgleichsmittel umfassen hydrostatische Kissenzonen, die mit den nierenförmigen Steueröffnungen in Verbindung stehen.
Die Teilkreise der nierenförmigen Steueröffnungen und der Kolben haben bei diesen bekannten Lösungen den gleichen Durchmesser. Dies begrenzt die Drehzahl der Pumpe, weil ab einer bestimmten Geschwindigkeit der Ölstrom im Sauganschluß reißt und Kavitation eintritt. Außerdem müssen die Zylinderblockeinschränkungsmittel einen Großteil der durch herstellungsbedingte axiale und seitliche Versetzung auftretenden Kräfte aufnehmen, was zu einem erhöhten Verschleiß der Lagerung führt .
Des weiteren ist aus der DE 2 000 590 eine spiegelgesteuerte hydrostatische Axialkolbenkraftmaschine mit einem drehfest, jedoch verschwenkbar im Maschinengehäuse gelagerten Steuerspiegelkörper bekannt, der in seiner Steuerfläche liegende nierenförmige, mit einer Hochdruck- bzw. einer Niederdruck-leitung verbundene Steuernuten und über im Steuerspiegelkörper vorgesehene Zuführbohrungen unter Hochdruck stehende Enlastungsnuten aufweist, wobei die Steuernuten im radial inneren Bereich der Steuerfläche liegen und der Wirkungsbereich der Entlastungsnuten gegen die Steuernuten zu durch eine in sich geschlossene ringförmige Nut definierten niedrigen Druckes begrenzt ist.
In Richtung auf den äußeren Umfang der Steuerfläche sind die Entlastungsnuten von einer weiteren, in sich geschlossenen ringförmigen Nut definierten niedrigen Druckes umgeben, wobei durch die im Steuerspiegelkörper angeordneten Zuführungsbohrungen eine ununterbrochene Verbindung zwischen der Hoch- bzw. Niederdruckleitung und den diesen jeweils zugeordneten Entlastungsnuten hergestellt ist.
Auch bei dieser Lösung liegen die Steueröffnungen und Kolben auf Teilkreisen mit gleichem Durchmesser, so daß die Drehzahl der Pumpe ebenfalls begrenzt bleibt und alle zuvor genannten Nachteile auftreten.
Soll bei gleichem Hubvolumen bzw. Kolbenteilkreis die Drehzahlgrenze erhöht werden, muß der Nierenteilkreis verringert werden, um einen geringeren Umfangsweg pro Umdrehung zu erreichen.
Dies geht mit dem Nachteil einher, daß auf die Kolbentrommel ein Kippmoment ausgeübt wird. Diesen Nachteil versucht der Stand der Technik dadurch zu begegnen, daß die Kolben nicht mehr achsparallel, sondern in einem solchen Winkel zur Achse angeordnet werden, daß die Kolbenachse jeweils den kleineren Teilkreis der Drucknieren trifft. Aufgrund der kegelartigen Ausrichtung der Kolbenanordnung hebt sich das auf die Kolbentrommel wirkende Kippmoment auf . Dies verursacht einen weiteren Nachteil, der darin besteht, daß die Steuerscheibe und die Kolbentrommel aneinander angepaßte gewölbte Oberflächen besitzen müssen, damit die Steuerscheibe ihrerseits kein Kippmoment erzeugt (Prospekt der Firma Hydraulik Brueninghaus „RD 92050/01.87, Mannesmann-Rexrodt) . Eine derartige Anordnung ist aufwendig und seht teuer.
Andere Lösungen umgehen dieses Problem, indem eine Steuerscheibe angeordnet wird, die im Gehäuse winkelbeweglich ist (VOAC Hydraulics, Publ . -Nr . 1584-9313 GB) .
Bei diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Selbstsaugdrehzahl von Axialkolbenpumpen mit gehäusefester Schrägscheibe zu erhöhen, den Aufbau zu vereinfachen, das Kippmoment sicher auszugleichen, die Lebensdauer zu verlängern und gleichzeitig den Fertigungsaufwand zu senken.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem im Anspruch 1 genannten kennzeichnenden Merkmale gelöst .
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen entnehmbar .
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es, das durch die Innenverlegung der nierenförmigen Steueröffnungen entstehende Kippmoment auf die Kolbentrommel durch eine einfache Maßnahme auszugleichen, indem punktuell Druckfelder als eine zusätzliche Abstützung geschaffen werden, die am äußeren Tragring positioniert sind.
Dies ist mit dem Vorteil verbunden, daß die Flächenpressung auf den äußeren Tragring und den Begrenzungsrändern gleich ist . Durch die Erfindung läßt sich beispielsweise die Selbstansaugdrehzahl von Axialhubkolbenpumpen um etwa 15% erhöhen, ohne den Aufbau der Pumpe zu verkomplizieren.
Die erfindungsgemäße Axialkolbenpumpe ist zudem einfach aufgebaut, bedienungsfreundlich und äußerst flexibel.
Mit all diesen Merkmalen wird erreicht, daß die erfindungsgemäße Pumpe den komplexen Anforderungen, die die Regel- und Versteileinrichtungen in hydraulischen Systemen stellt, mit hoher Effektivität, Sicherheit, Wartungsfreundlichkeit, Übersichtlichkeit und Kompaktheit besser gerecht wird.
Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Steuerscheibe (a) mit Schnitt (b) und Kolbentrommel (c) nach dem bekannten Stand der Technik,
Fig. 2 eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße
Steuerscheibe mit Tragring und zwei Druckfeldern,
Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie A-A gemäß Fig. 2,
Fig. 4 eine Draufsicht auf die erfindungsgemäß veränderte Kolbentrommel,
Fig. 5 eine schematische Darstellung der
Schwerpunkte vom äußeren Stützfeld, Kolbenhalbkreisring und Nierenhalbkreisring und
Fig. 6 eine Darstellung der Kolben-, Druckfelder-
Steueröffnungskraft .
Die Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Steuerscheibe 1, die in einer üblichen Axialkolbenpumpe mit nicht rotierender Schrägscheibe eingebaut ist. Eine genaue
Beschreibung der Pumpe kann daher entfallen.
Die Steuerscheibe 1 besitzt an ihrem äußeren Rand 2 einen
Tragring 3, der sich beidseitig von der Steuerscheibe kastenartig abhebt (siehe Fig. 3) . In die Steuerscheibe 2 sind
Leckölbohrungen 4 eingebracht . Im mittleren Abschnitt der
Steuerscheibe 2 befinden sich die nierenförmigen Steueröffnungen 5 und 6 (auch Saug- und Druckniere genannt) . Die Druckniere 6 ist durch nach innen abgesenkte Rippen 7 verstärkt. Die Saug- und Druckniere 5 und 6 liegt auf einem Teilkreis Kl, der 12% kleiner ist als der Teilkreis der Steueröffnungen 5 und 6 gemäß Fig. 1. Die Durchlaßfläche F der Steueröffnungen 5 und 6 der erfindungsgemäßen Steuerscheibe 1 sind trotz geringerem Teilkreis Kl gegenüber der Durchlaßfläche der Steueröffnungen der bekannten Steuerscheibe etwa gleich. Dies wird durch eine etwas größere Breite der Öffnungen 5 bzw. 6 in Fig. 2 erreicht. Die Druck- und Saugnieren sind jeweils von einem Begrenzungsrand 8 umgeben. Zwischen Tragring 3 und Begrenzungsrand 8 befindet sich eine Ringnut 13, die das Lecköl in die Leckölbohrungen 4 abführt . Tragring 3 und Begrenzungsrand 8 haben eine auf gleichem Niveau liegende Kontaktfläche, die von der Gleitscheibe 15 abgedeckt ist. In der Gleitscheibe 15, die sich zwischen Steuerscheibe 1 und Kolbentrommel 12 befindet, sind die Steueröffnungen 5 bzw. 6 ebenfalls in Lage und Größe wie in der Steuerscheibe 1 und in der Kolbentrommel 12 angeordnetsiehe Fig. 4) . Im Tragring 3 sind punktuell Stützdruckfelder 9 in Form von nierenförmigen Langlöchern eingearbeitet. Diese Stützdruckfelder 9 sind mit der Druckniere 6 durch je eine Bohrung 10 verbunden, welche in die Steuerscheibe 1 eingebracht sind. Die Bohrung 10 endet am äußeren Rand der Steuerscheibe 1 und dort je einen Verschlußstopfen 14. Fig. 5 zeigt schematisch die Lage von Nierenteilkreis Kl, Kolbenteilkreis K2 und Stützdruckfeld-Teilkreis K3 einschließlich der entsprechenden Schwerpunkte sowie die Lage des Schwerpunktes SK des Kolbenhalbkreisringes, des Schwerpunktes SN des Steueröffnungs-Halbkreisringes und des Schwerpunktes SD der äußeren Druckfelder 9, die auf Achse B-B liegen.
Die ölfordernden Kolben 11 (siehe Fig. 6) befinden sich auf einem Halbkreis auf der gleichen Seite wie die Druckniere 6 der Steuerscheibe 1. Die Kolbenkräfte Pκ wirken von der Kolbenseite auf die Kolbentrommel 12, während die Kraft PN des Nierendruckfeldes dem gegenübersteht. Beide Kräfte bzw. halbkreisförmigen Kraftbereiche liegen aufgrund des kleineren Teilkreises der Steuerniere versetzt zueinander. Dieser Versatz V ist verantwortlich für das zuvor bereits beschriebene Kippmoment, das auf die Kolbentrommel wirkt. Mit der Kraft PD der Stützdruckfelder 9, im vorliegenden Beispiel zwei, wird dieses durch den Versatz verursachte Moment ausgeglichen.
Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen
Steuerscheibe 1 äußerer Rand von 1 2
Tragring 3
Leckölbohrung 4 nierenförmige Steueröffnung
(Saug- und Druckniere) 5, t abgesenkte Rippe 7
Begrenzungsrand 8
Stützdruckfeld 9 Verbindungsbohrung 10
Kolben 11
Kolbentrommel 12
Ringnut 13
Verschlußstopfen 14 Gleitscheibe 15
Durchlaßfläche F
Nierenteilkreis Kl
Kolbenteilkreis K2
Stützdruckfeld-Teilkreis K3 Achse der Schwerpunkte B-B
Schwerpunkt des Kolbenhalbkreisringes SK
Schwerpunkt des Steueröffnungs-Halbkreisringes SN
Schwerpunkt der äußeren Druckfelder SD
Kolbenkraft pκ Kraft des Nierendruckfeldes PN
Kraft der Stützdruckfelder PD
Versatz V