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Dokumentenidentifikation DE4029510A1 28.03.1991
Titel Axialkolbenpumpe
Anmelder Zahnradfabrik Friedrichshafen AG, 7990 Friedrichshafen, DE
Erfinder Reichenmiller, Michael, 7076 Waldstetten, DE
DE-Anmeldedatum 18.09.1990
DE-Aktenzeichen 4029510
Offenlegungstag 28.03.1991
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.03.1991
IPC-Hauptklasse F04B 49/02
IPC-Nebenklasse F04B 1/14   
Zusammenfassung Die Erfindung bezieht sich auf eine Axialkolbenpumpe mit mehreren sternförmig auf einem Kreis um eine Taumelscheibenwelle (2) angeordneten Förderkolben (5). Die Aufgabe besteht darin, eine derartige Pumpe über einen großen Förderstrombereich leistungsregelbar zu machen. Zu diesem Zweck liegt hinter einem Taumelscheibenraum (4) gleichachsig zur Welle (2) eine mit einer Ansaugbohrung (7) verbundene Saugkammer (15). In der Saugkammer (15) befindet sich ein Regelkolben (17), der gegen die Kraft einer Feder (24) zu den Zylinderbohrungen (6) der Förderkolben (5) geführte Saugbohrungen (30) öffnen kann. Auf eine der Feder (24) abgewandte Stirnfläche des Regelkolbens (17) drückt der Kolben (18) eines Druckbegrenzungsventils (16). Dieser Kolben (18) ragt in einen Druckraum (13). Steigt der Förderdruck im Druckraum (13) an, so schiebt der Kolben (18) den Regelkolben (17) in Öffnungsstellung. Dadurch, daß der Regelkolben (17) konzentrisch mit der Welle (3) angeordnet ist, erhält man sehr kurze Saugbohrungen (30) mit einem geringen Totraumvolumen. Die Pumpe spricht daher auf Belastungsänderungen sehr schnell an, d. h., die Regelzeiten sind kurz (Fig. 1).

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine Axialkolbenpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

An Pumpen für hydraulische Anlagen stellt man häufig die Forderung, daß diese sich selbst auf die jeweilige Leistungsanforderung des Verbrauchers einstellt und eine solche Regelung aus Gründen der Energieersparnis saugseitig, also im Pumpenzulauf, erfolgt. Als Beispiel für leistungsabhängige Verbraucher kommen Hilfskraftlenkungen, hydraulische Lüfterantriebe oder andere Anlagen in Frage, in denen man mehrere Verbraucher über einen Speicher betreibt. Als Regelgröße für die Verstellung eines Regelelementes, das im Pumpenzulauf untergebracht ist, läßt sich der Systemdruck oder ein elektrisches Signal verwenden.

Eine mehrzylindrige Kolbenpumpe mit einer sogenannten Saugregelung ist beispielsweise aus der DE-OS 24 25 022 (Robert Bosch) bekannt. Diese Pumpe enthält einen Regelkolben, der den Querschnitt einer Ansaugbohrung verändern kann. Auf die eine Seite des Regelkolbens wirkt die Kraft einer Feder, während auf der anderen Seite die Kraft des Förderdruckes lastet. Diese Pumpe arbeitet mit einem verhältnismäßig großen Totraumvolumen. Unter Totraumvolumen ist in diesem Zusammenhang die zwischen der Regelkante des Regelkolbens und dem Einlaß in die Förderkolben bereitstehende Ölmenge zu verstehen, die für die Regelgeschwindigkeit bei Veränderung des Regelquerschnittes maßgebend ist. Die Abstimmung dieser bekannten Saugregelung erfolgt außerdem in Verbindung mit einer Radialkolbenpumpe.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Axialkolbenpumpe innerhalb eines großen Förderstrombereichs regelbar zu machen, wobei die Regelgeschwindigkeit durch das Vermeiden von großem Totraumvolumen möglichst hoch sein soll.

Nach der Erfindung löst man diese Aufgabe durch die Merkmale nach Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen enthalten die Ansprüche 2 bis 6.

Nach dem Hauptmerkmal sieht man hinter dem mit dem Sauganschluß verbundenen Taumelscheibenraum eine mit dem Sauganschluß in Verbindung stehende Saugkammer vor, die einen die Ansaugmenge bestimmenden Regelkolben enthält. Dieser Regelkolben steuert von der Saugkammer zu den Förderkolben führende Saugbohrungen. Dabei liegt die Saugkammer gleichachsig in der Verlängerung zur Welle, und die Saugbohrungen münden auf der den Einlaßbohrungen abgewandten Stirnseite der Förderkolben sternförmig in die zugehörigen Zylinderbohrungen. Durch die vorgenannten Maßnahmen erhält man eine raumsparende Unterbringung des Regelkolbens zwischen einem Druckraum und dem Taumelscheibenraum der Pumpe. Dadurch, daß der Regelkolben im Zentrum zwischen dem Förderkolben liegt, lassen sich die Saugbohrungen gleich lang und sehr kurz halten. Das Totraumvolumen bleibt auf diese Weise sehr klein. Die Reaktion der Pumpe auf Änderungen des Regelsignals erfolgt ohne Zeitverlust. Die Lage des Regelkolbens zwischen den Förderkolben vermeidet außerdem zusätzlichen axialen Bauraum. Das kleine Totraumvolumen hat den weiteren Vorteil geringer Kavitation und damit auch eines geräuscharmen Pumpenbetriebs.

Nach einem weiteren Merkmal ordnet man in der Saugkammer als Druckbegrenzungsventil (DBV) einen Kolben mit einer durch ein federbelastetes Glied verschlossenen Bohrung an. Dieser Kolben erstreckt sich mit seiner einen Stirnseite in den Druckraum. Die andere Stirnseite liegt an dem durch eine Feder auf Anschlag gehaltenen Regelkolben an, der in dieser Grundstellung die Saugbohrungen überdeckt. Der auf den Kolben des DBV lastende Förderdruck kann infolgedessen den Regelkolben verschieben. Benötigt der Verbraucher Leistung, so steigt der Druck im Druckraum an, und die sich daraus ergebende Kolbenkraft bewirkt ein öffnen der Saugbohrungen. Sinkt der Förderdruck, so drückt die Feder den Regelkolben in Schließrichtung. Die erfindungsgemäße Kombination des DBV mit dem Regelkolben schafft einen einfachen Ventilaufbau bei kurzer Baulänge.

In einer anderen Ausführung weist der Regelkolben eine an seiner einen Stirnfläche liegende und an den Druckraum angeschlossene Kammer auf, während auf seine andere Stirnfläche eine im Gehäuse abgestützte Feder wirkt. Hier gibt der Regelkolben in seiner durch die Feder bestimmten Grundstellung die Saugbohrungen vollständig frei. Diese Anordnung eignet sich vorteilhaft für einen (oder mehrere) Verbraucher, der über einen Speicher versorgt wird. Die Pumpe gibt bei entladenem Speicher die volle Pumpenförderung frei.

Schließlich findet noch in einer weiteren Ausführung ein durch eine Feder auf Anschlag gehaltener Regelkolben Verwendung, der in seiner Grundstellung die Saugbohrungen verschließt und durch einen gleichachsig zum Regelkolben in das Gehäuse eingebauten Elektromagnet verstellbar ist. Dieser Elektromagnet erhält Regelimpulse, z. B. von einem Lichtmaschinenregler, der Änderungen des Ladestromes an eine die Lichtmaschine antreibende Hydraulikpumpe abgibt. Demgemäß sind die Saugbohrungen bei der Anforderung eines hohen Ladestromes durch den Regelkolben geöffnet, so daß die Pumpe ihre volle Leistung an die Lichtmaschine abgeben kann.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Merkmalskombinationen der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und einzelnen Anspruchsmerkmalen aus der Aufgabenstellung.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen vereinfachten Längsschnitt durch eine Axialkolbenpumpe in der Kombination eines Druckbegrenzungsventils mit einem Regelkolben;

Fig. 2 einen teilweisen Längsschnitt durch eine andere Ausführung und

Fig. 3 einen teilweisen Längsschnitt durch eine Ausführung, in der der Regelkolben durch einen Elektromagnet verstellbar ist.

Nach Fig. 1 trägt eine in einem Lager 1 abgestützte Welle 2 eine Taumelscheibe 3. Die Taumelscheibe 3 dreht sich in einem Taumelscheibenraum 4. An der Taumelscheibe 3 liegen auf einem Kreisdurchmesser mehrere Förderkolben 5 an, die in Zylinderbohrungen 6 geführt sind. Sobald die Taumelscheibe 3 dreht, versetzt diese die Förderkolben 5 in Hubbewegungen. Die Förderkolben 5 tauchen mit Einlaßbohrungen 10 in den Taumelscheibenraum 4 ein und drücken das angesaugte Öl über ein Auslaßventil 11, welches Druckkanäle 12 verschließt, in einen gemeinsamen Druckraum 13. Das Auslaßventil 11 besteht aus einer Ringplatte 8, die durch einen gummielastischen Ring 9 gegen die Druckkanäle 12 gedrückt wird. Bei der Pumpenförderung hebt die Ringplatte 8 gewissermaßen in einer umlaufenden Wellenbewegung von den Druckkanälen 12 nacheinander ab. Der Druckraum 13 führt über einen Auslaßanschluß 14 zu einem nicht dargestellten Verbraucher. Das verhältnismäßig große Volumen des Druckraumes 13 dient in bekannter Weise zur Dämpfung von Druckschwingungen.

Die Pumpe hat eine gleichachsig zur Welle 2 angeordnete Saugkammer 15, in der ein Druckbegrenzungsventil (DBV) 16 und ein Regelkolben 17 verschieblich untergebracht sind. Das DBV 16 besteht aus einem im Gehäuse verschiebbaren Kolben 18, der eine Axialbohrung 20 aufweist. Ein durch eine Feder 21 belastetes Ventilglied 22 verschließt die Axialbohrung 20. Die Kraft der Feder 21 bestimmt den im Hydraulikkreis zulässigen Höchstdruck.

Der Regelkolben 17 stützt sich unter der Belastung einer Feder 24 an einer Gehäusekante 23 ab. Der Kolben 18 des DBV 16 liegt mit einer Stirnseite am Regelkolben 17 an, während seine andere Stirnseite in den Druckraum 13 hineinragt. In der dem Regelkolben 17 zugewandten Stirnseite des Kolbens 18 und im Regelkolben selbst befinden sich Öffnungen 26 bzw. 27, die über eine Gehäuseöffnung 28 eine Verbindung zwischen einer mit einem Tank verbundenen Ansaugbohrung 7 und dem Taumelscheibenraum 4 herstellen. Über diese Verbindung erhält die Axialkolbenpumpe einen Konstantstrom, der über die Einlaßbohrungen 10 angesaugt wird und der für die Grundversorgung des Verbrauchers ausreicht. Darüber hinaus arbeitet die Pumpe mit einer zweiten Befüllungsmöglichkeit für den über eine großen Arbeitsbereich regelbaren Hauptstrom. Hierzu weist die Saugkammer 15 im Steuerbereich des Regelkolbens 17 eine zu jedem Förderkolben 5 abzweigende Saugbohrung 30 auf. Die Saugbohrungen 30 sind in der unteren Totpunktstellung der Förderkolben 5, d. h., wenn diese in Fig. 1 ganz nach links verstellt sind, geöffnet. Je nach Stellung des Regelkolbens 17 ist daher der über die Saugbohrungen 30 zufließende Hauptstrom in einem weiten Bereich regelbar. Der jeweils herrschende Förderdruck wirkt im Druckraum 13 auf die Stirnfläche des Kolbens 18 des DBV. Benötigt der Verbraucher mehr Leistung, so steigt der Druck in einer Leitung zum Verbraucher und damit auch im Druckraum 13. Der Kolben 18 des DBV 16 verschiebt sich nach links und stößt dabei den Regelkolben 17 gegen die Kraft der Feder 24 in Öffnungsrichtung. Sinkt der Druck im Druckraum 13 bei fallender Leistungsanforderung, so bewegt sich der Regelkolben 17 unter der Kraft der Feder 24 wieder in Schließrichtung. Der über die Öffnungen 26, 27 und 28 in den Taumelscheibenraum 4 herangeführte Grundstrom addiert sich stets zum variablen Hauptstrom hinzu. Die kurzen, gleich langen Saugbohrungen 30 sind hierbei für das schnelle Reaktionsverhalten der Pumpe verantwortlich. Außerdem können sich die einzelnen Förderkolben 5 gegenseitig nicht beeinflussen. Zum feinfühligen Ansprechen der Leistungsregelung muß die aus dem Kolben 18, dem Regelkolben 17 und der Feder 24 bestehende Druckwaage auf dem jeweils an die Pumpe angeschlossenen Verbraucher abgestimmt sein. Will man eine etwaige Druckbeeinflussung der Druckwaage 17, 18, 24 durch die Förderkolbenbewegung im Taumelscheibenraum 4 vollständig ausschließen, so kann man einen Zulaufkanal 31 (strichpunktiert) zur Grundversorgung (Konstantstrom) vorsehen. Diese Leitung 31 verbindet die Ansaugbohrung 7 mit dem Taumelscheibenraum 4. Die Gehäuseöffnung 28 fällt dann weg.

Bei einem unzulässig hohen Druck im Druckraum 13 öffnet das Ventilglied 22 des DBV 16 gegen die Kraft der Feder 21. Das überschüssige Drucköl strömt in die Saugkammer 15 und wird von dort erneut angesaugt.

Die Axialkolbenpumpe nach Fig. 2 unterscheidet sich von Fig. 1 dadurch, daß sich eine Feder 32 eines Regelkolbens 37 an einem festen Gehäuseteil bzw. an einem im Gehäuse verschraubten DBV 36 (wie dargestellt) abstützt. Eine Kammer 38 des Regelkolbens 37 ist über einen Kanal 34 an einen zum Druckraum 13 führenden Auslaßkanal 35 angeschlossen. In dieser Ausführung erhält die Pumpe ihren Konstantstrom über einen Zulaufkanal 33. In der Grundstellung gibt der Regelkolben 37 die Saugbohrungen 30 frei. Sobald der Förderdruck im Druckraum 13 über einen durch die Feder 32 bestimmten Wert hinaus ansteigt, beginnt der Regelkolben 37 die Saugbohrungen 30 abzusperren. Eine solche Arbeitsweise eignet sich für hydraulische Anlagen mit einem Druckspeicher. Als Beispiel hierzu läßt sich eine hydraulische Hilfskraftlenkung anführen, die man über ein Steuerventil mit geschlossener Mitte betreibt.

In der Ausführung nach Fig. 3 drückt ein Elektromagnet 40 über einen Stößel 41 auf einen in seiner Grundstellung gezeichneten Regelkolben 47. Die Wirkungsweise des Regelkolbens 40 hinsichtlich der Saugbohrungen 30 entspricht der Anordnung nach Fig. 1. Zwischen einer Saugkammer 42 und einem Auslaßanschluß 43 liegt ein DBV 44. Die Axialkolbenpumpe treibt z. B. eine Lichtmaschine an, wobei der Elektromagnet entsprechend der Belastung durch die elektrischen Verbraucher vom Lichtmaschinenregler seine Regelimpulse erhält. Auf diese Weise läßt sich auch hier ein an die jeweilige Leistung der Lichtmaschine abgestimmter Antrieb vorsehen.

Bezugszeichen

1 Lager

2 Welle

3 Taumelscheibe

4 Taumelscheibenraum

5 Förderkolben

6 Zylinderbohrung

7 Ansaugbohrung

8 Ringplatte

9 Gummielastischer Ring

10 Einlaßbohrungen

11 Auslaßventil

12 Druckkanal

13 Druckraum

14 Auslaßanschluß

15 Saugkammer

16 Druckbegrenzungsventil (DBV)

17 Regelkolben

18 Kolben von 16

19 -

20 Axialbohrung

21 Feder

22 Ventilglied

23 Gehäusekante

24 Feder

25 -

26 Öffnung

27 Öffnung

28 Gehäuseöffnung

29 -

30 Saugbohrung

31 Zulaufkanal

32 Feder

33 Zulaufkanal

34 Steuerkanal

35 Auslaßkanal

36 DBV

37 Regelkolben

38 Kammer

39 -

40 Elektromagnet

41 Stößel

42 Saugkammer

43 Auslaßanschluß

44 DBV

45 -

46 -

47 Regelkolben


Anspruch[de]
  1. 1. Axialkolbenpumpe mit folgenden Merkmalen:
    1. - eine eine Taumelscheibe (4) tragende Welle (2) betätigt mehrere in Zylinderbohrungen (6) des Gehäuses angeordnete Förderkolben (5);
    2. - die Förderkolben (5) haben Einlaßbohrungen (10), die zur Ölförderungen in einen mit einer Ansaugbohrung (7) verbundenen Taumelscheibenraum (4) eintauchen;
    3. - das geförderte Drucköl strömt über ein Auslaßventil (11) in einen zu einem Verbraucher führenden Druckraum (13) , gekennzeichnet durch folgende Merkmale: hinter dem Taumelscheibenraum (4) liegt eine mit der Ansaugbohrung (7) verbundene Saugkammer (15);
    4. - die Saugkammer (15) enthält zum Einstellen der Fördermenge einen verstellbaren Regelkolben (17);
    5. - der Regelkolben (17) steuert von der Saugkammer (15) zu den Zylinderbohrungen (6) führende Saugbohrungen (30).
  2. 2. Axialkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugkammer (15) gleichachsig in der Verlängerung zur Welle (2) liegt und die Saugbohrungen (30) auf der den Einlaßbohrungen (10) abgewandten Stirnseite der Förderkolben (5) sternförmig in die Zylinderbohrungen (6) einmünden.
  3. 3. Axialkolbenpumpe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
    1. - die Saugkammer (15) enthält als Druckbegrenzungsventil (DBV) 16 einen Kolben (18) mit einer Axialbohrung (20), welche durch eine federbelastetes Ventilglied (22) verschlossen ist;
    2. - der Kolben erstreckt sich mit einer Stirnseite in den Druckraum (13);
    3. - die andere Stirnseite liegt an dem durch eine Feder (24) auf Anschlag gehaltenen Regelkolben (17) an, und
    4. - der Regelkolben (17) überdeckt in seiner Grundstellung die Saugbohrungen (30) (Fig. 1).
  4. 4. Axialkolbenpumpe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
    1. - der Regelkolben (37) weist eine einer Stirnfläche zugewandte Kammer (38) auf, die über einen Steuerkanal (34) an den Druckraum (13) angeschlossen ist;
    2. - auf die andere Stirnfläche drückt eine im Gehäuse abgestützte Feder (32), und
    3. - der Regelkolben (37) gibt in seiner Grundstellung die Saugbohrungen frei (Fig. 2).
  5. 5. Axialkolbenpumpe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
    1. - der Regelkolben (47) verschließt in seiner Grundstellung die Saugbohrungen (30), und ein gleichachsig zum Regelkolben (47) an das Gehäuse angebauter Elektromagent (40) drückt in Abhängigkeit von einer Regelgröße den Regelkolben (47) in Öffnungsstellung (Fig. 3).
  6. 6. Axialkolbenpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Axialkolbenpumpe eine Lichtmaschine antreibt und der den Regelkolben (47) verstellende Elektromagnet (40) seine Regelsignale von einem Lichtmaschinenregler erhält.






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