DE10027425A1 - Radialkolbenpumpe - Google Patents

Abstract

Die Erfindung geht von einer Radialkolbenpumpe (1) mit einem Pumpenkörper (2) aus, in dem Kolben (4) und Zylinder (5) radial zu einem Antriebsexzenter (14) angeordnet sind und die Kolben (4) bei einem Einwärtshub über seitliche Saugöffnungen (17) in den Zylindern (5) Flüssigkeit ansaugen und bei einem Auswärtshub über Drucköffnungen (7) in den äußeren Stirnwänden (6) der Zylinder (5) die Flüssigkeit über Rückschlagventile (9) in einen Sammelraum (10) fördern. DOLLAR A Es wird vorgesehen, dass im Boden der Kolben (4) jeweils eine Verbindungsbohrung (32) zum Antriebsexzenter (14) angeordnet ist, die von einem Überdruckventil (18) gesteuert wird. Beim Überschreiten des Öffnungsdrucks öffnet das Überdruckventil (18) und Druckspitzen im Zylinder (5) können über die Verbindungsbohrung (32) abgebaut werden. Gleichzeitig wird ein Druckpolster zwischen dem Boden des Kolbens (4) und der Lagerschale (16) gebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Radialkolbenpumpe nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Radialkolbenpumpen werden unter anderem in Kraftfahr­ zeugen verwendet, und zwar als Schmierölpumpen für Brenn­ kraftmaschinen und Getriebe, als Druckölpumpen für hydrau­ lische Stellglieder, Lenkungen, Federungen, Kupplungen, stufenlose Getriebe, automatisch gesteuerte Getriebe, hy­ draulische Fahr- und Hilfsantriebe, Betonmischer usw. Sie eignen sich besonders für Einsatzfälle, bei denen ein höhe­ res Druckniveau erforderlich ist.

Als Pumpen der Verdrängerbauart fördern sie das Druck­ medium nicht kontinuierlich, sondern ungleichförmig in Teilvolumina pro Umdrehung eines Antriebsexzenters. Die zyklisch geförderten Volumina verursachen sowohl auf der Saugseite als auch auf der Druckseite Druckschwankungen, Druckschwingungen und Pulsationen. Die Druckschwingungen werden von Einlass- und Auslassstößen überlagert, die beim Öffnen und Schließen der Förderkammern, z. B. der Zylinder entstehen. Die Stöße sind besonders groß, wenn durch Ein­ lass- oder Auslassventile in Form von Ventilbandfedern plötzlich Räume mit großen Druckunterschieden verbunden werden. Ferner treten in der Regel besonders hohe Druck­ schwankungen auf, wenn der Druck im System hoch ist oder die Zylinder nur teilweise gefüllt werden.

Erreicht der Druck im Zylinder den Öffnungsdruck der ringförmigen Ventilbandfeder, hebt diese im Bereich des jeweiligen Zylinders von ihrer Sitzfläche ab und das hy­ draulische Medium, das Drucköl, wird in den Sammelraum aus­ gestoßen. Fällt der Druck im Zylinder unter den Schließ­ druck der Ventilbandfeder, schlägt diese wieder auf die Sitzfläche auf und verursacht dabei ein lautes nagelndes Geräusch. Dieser Vorgang wiederholt sich pro Umdrehung des Antriebsexzenters entsprechend der Anzahl der Kolbenzylin­ dereinheiten der Pumpe.

Das Geräusch ist um so lauter, je dynamischer der Öff­ nungs- und Schließvorgang abläuft, d. h. wie groß das Ver­ hältnis zwischen dem Öffnungsdruck und dem Schließdruck und wie groß der Druckanstiegsgradient zum Zeitpunkt des Öff­ nens ist. Sind diese Werte sehr hoch, wird die Ventilband­ feder sehr schnell und sehr weit von ihrer Sitzfläche abge­ hoben und schlägt danach entsprechend heftig auf die Sitz­ fläche zurück.

Aus der DE 43 38 641 A1 ist eine gattungsgemäße Ra­ dialkolbenpumpe bekannt, die einen Pumpenkörper mit durch Stopfen verschlossenen Zylindern aufweist. In den Stopfen befinden sich Druckkanäle, die durch eine den Pumpenkörper umschließende, geschlitzte Bandfeder abgedeckt sind. Bei der Umdrehung des Antriebsexzenters werden die Kolben in eine Hubbewegung versetzt und fördern das über Saugöffnun­ gen angesaugte Drucköl über die Druckkanäle in einen jen­ seits der Ventilbandfeder liegenden ringförmigen Sammelka­ nal, sobald der Kolben die Saugöffnung verschlossen hat. Beim Ausstoßen des Druckmediums treten im Zylinder nach dem Verschließen der Saugöffnung Druckspitzen auf, die ein na­ gelndes Geräusch verursachen und die Lagerflächen zwischen dem jeweiligen Kolben und dem Antriebsexzenter bzw. einer zwischen beiden angeordneten Lagerschale belasten.

Aus der DE 42 41 825 A1 ist ferner eine Radialkolben­ pumpe bekannt, bei der durch den gezielten Einbau von Ela­ stizitäten am Kolben bzw. an der Verbindung zwischen Kolben und einem Nadellager die Druck- und Kraftgradienten abge­ baut werden und somit auch die Geräuschintensität gemindert wird. Ferner ist aus der DE 43 36 673 C2 eine Radialkolben­ pumpe bekannt, bei der zwischen den Kolben und den auf dem Antriebsexzenter angeordneten Gleitelementen ein den An­ triebsexzenter umfassender Federring eingebaut ist. Die Kolben stützen sich somit auf dem Antriebsexzenter federnd ab, so dass die Kolben bei Beginn des Ausschiebens einfe­ dern können, um auf diese Weise die Druckspitzen zu vermin­ dern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Geräusch zu reduzieren und die Lagerbelastungen zu vermindern. Sie wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unter­ ansprüchen.

Nach der Erfindung ist im Boden der Kolben jeweils ei­ ne Verbindungsbohrung zum Antriebsexzenter angeordnet, die von einem Überdruckventil gesteuert wird. Übersteigt der Druck im Zylinder den Öffnungsdruck des Überdruckventils, öffnet dieses, so dass Drucköl austreten kann und dadurch Druckspitzen abgebaut werden. Gleichzeitig erzeugt das aus der Verbindungsbohrung austretende Drucköl ein Ölpolster auf der Unterseite des Kolbenbodens zwischen diesem und dem Antriebsexzenter bzw. einer Lagerschale zwischen Kolbenbo­ den und Antriebsexzenter und bewirkt somit zusätzlich eine Dämpfung der Geräusche.

Das Überdruckventil kann in vorteilhafter Weise in ei­ nen Hohlraum des Kolbens untergebracht werden, der zur Drucköffnung hin offen ist und in den ein die Verbindungs­ bohrung überdeckender Ventilkörper eingesetzt ist. Dieser besitzt eine Ventilbohrung mit einem Ventilsitz, der mit einem Schließkörper zusammenwirkt, indem er die Ventilboh­ rung in Richtung auf den Hohlraum schließt. Ist die Bewe­ gung des Schließkörpers radial gerichtet, wirken auf ihn bei der Hubbewegung des Kolbens Massenkräfte, die von der Beschleunigung des Kolbens abhängen.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, das Überdruckventil über die auf den Schließkörper wirkenden Beschleunigungskräfte zu steuern, derart, dass das Öffnen bzw. Schließen des Überdruckventils jeweils zum richtigen Zeitpunkt erfolgt. Das Öffnen des Überdruckventils erfolgt hierbei vorzugsweise kurz nach dem Überschreiten des unteren Totpunktes der Kolbenbewegung und leitet somit den Abbau der Druckspitzen ein. Das Schließen des Überdruckventils erfolgt vorzugsweise kurz nach Über­ schreiten des oberen Totpunktes der Kolbenbewegung und lei­ tet somit den Ansaugvorgang ein.

In einer Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass der Schließkörper eine solche Masse besitzt, dass die Be­ schleunigungskräfte im Bereich eines unteren Totpunkts die Druckkräfte im Zylinder übersteigen und in einem oberen Totpunkt geringer sind. Dadurch wird die Verbindungsbohrung beim Einwärtshub des Kolbens geschlossen, so dass der volle Ansaugunterdruck erreicht wird, während beim Auswärtshub die Druckspitzen im Zylinder die in Schließrichtung wirken­ den Beschleunigungskräfte des Schließkörpers übersteigen und somit das Überdruckventil Öffnen und abgebaut werden.

Zusätzlich zu den Beschleunigungskräften kann der Schließkörper durch eine Ventilfeder belastet sein. Durch diese kann das Öffnungs- und Schließverhalten des Über­ druckventils modifiziert werden. Sie ist ferner erforder­ lich, wenn der Schließkörper so angeordnet ist, dass er sich in einer Richtung quer zur Hubbewegung des Kolbens bewegt und somit keinen nennenswerten Trägheitskräften un­ terliegt.

Um die Geschwindigkeit zu modifizieren, mit der die Druckspitze abgebaut wird, ist es zweckmäßig, die Ventil­ bohrung und/oder die Verbindungsbohrung als Drosselbohrung auszulegen. Da sich die Wirkung der Drosselbohrung mit der Viskosität des Drucköls und daher mit der Temperatur des Drucköls verändert, ist es zweckmäßig, den Querschnitt der Drosselbohrung ebenfalls in Abhängigkeit von der Temperatur zu ändern, so dass über große Temperaturbereiche Druckspit­ zen in gleicher Weise abgebaut werden können.

Der Ventilkörper kann in beliebiger Weise in den Kol­ ben eingesetzt werden, z. B. eingeschraubt, geschweißt, ge­ presst oder dgl. In vorteilhafter Weise besitzt der Ventil­ körper einen äußeren Rand, der am Boden des Kolbens an­ liegt, und an dem sich eine Kolbenfeder mit einem Ende ab­ stützt. Mit dem anderen Ende stützt sich die Kolbenfeder an einem Stopfen ab, der den Zylinder zur anderen Stirnseite hin verschließt. Dadurch wird der Ventilkörper zwischen dem Stopfen und dem Kolbenboden durch die Kolbenfeder fixiert.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeich­ nungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbei­ spiel der Erfindung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusam­ menfassen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine obere Hälfte eines Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Radialkolbenpumpe,

Fig. 2 einen teilweisen Schnitt entsprechend der Linie II-II in Fig. 1 und

Fig. 3 ein Diagramm über den Hubverlauf, Geschwin­ digkeitsverlauf und Beschleunigungsverlauf des Kolbens.

Die Radialkolbenpumpe 1 besitzt ein Pumpengehäuse 3, in das ein Pumpenkörper 2 dichtend eingesetzt ist. Kolben 4 und Zylinder 5 bilden Kolbenzylindereinheiten, die radial gerichtet im Pumpenkörper 2 angeordnet sind. Die Kolben 4 werden von einem Antriebsexzenter 14 angetrieben, der auf einer Antriebswelle 13 befestigt ist bzw. an dieser ange­ formt ist. Der Antriebsexzenter 14, der zwischen zwei axia­ len Anlaufscheiben 26 im Pumpenkörper 2 bzw. im Pumpenge­ häuse 3 geführt ist, ist von einem Dämpfungsring 15 umge­ ben, auf dem eine Lagerschale 16 sitzt. Diese besteht aus einem geeigneten Lagerwerkstoff, der eine geringe Reibung und eine hohe Lebensdauer gewährleistet. Der Dämpfungs­ ring 15, der die Form eines in Umfangsrichtung gewellten Federrings aufweisen kann, dämpft die auf den Kolben 4 wir­ kenden Druckschwingungen.

Der Zylinder 5 wird zum Umfang des Pumpenkörpers 2 hin von einem Stopfen 6 abgeschlossen, der in den Pumpenkör­ per 2 eingesetzt ist und eine Drucköffnung 7 aufweist, die den Zylinder 5 mit einem Sammelraum 10 im Pumpengehäuse 3 verbindet. An dem Sammelraum 10 ist ein Anschluss 11 für nicht näher dargestellte Verbraucher vorgesehen. Die Druck­ öffnungen 7 werden von einer ringförmigen Ventilbandfeder 9 überdeckt, die an einer Sitzfläche der Stopfen 6 anliegt und je nach Druckverhältnissen den Durchfluss durch die Drucköffnungen 7 schließt oder freigibt.

Die Kolben 4, die einen zur Drucköffnung 7 hin offenen Hohlraum 8 besitzen, führen während einer Umdrehung in Drehrichtung 25 des Antriebsexzenters 14 einen Auswärtshub und einen Einwärtshub aus. Dabei werden sie durch Kolben­ federn 12 gegen die Lagerschale 16 gedrückt. Beim Auswärts­ hub überfährt der jeweilige Kolben 4 mit einer stirnseiti­ gen Steuerkante eine Saugöffnung 17. Mit dem Abschließen der Saugöffnung 17, 18 ist das Füllen des Zylinders 5 abge­ schlossen und der Druck im Zylinder 5 steigt so weit an, bis ein Öffnungsdruck erreicht wird, durch den die Ventil­ bandfeder 9 in dem jeweiligen Bereich von ihrer Sitzfläche abgehoben wird und die Drucköffnung 7 des jeweiligen Kol­ bens 4 freigibt, so dass Drucköl aus dem Zylinder 5 in den Sammelraum 10 ausgeschoben werden kann.

Um die Ventilbandfeder 9 anheben zu können, muss der Öffnungsdruck multipliziert mit seiner wirksamen Fläche den Systemdruck im Sammelraum 10 multipliziert mit dessen wirk­ samer Fläche und die Vorspannung der Ventilbandfeder 9 überwinden. Bei geschlossener Drucköffnung 7 beschränkt sich die wirksame Fläche des Öffnungsdrucks auf die Quer­ schnittfläche der Drucköffnung 7 und gegebenenfalls auf die Umfangsflächen angrenzender Entlastungsrillen. Da sich beim Anheben der Ventilbandfeder 9 die wirksame Fläche schnell vergrößert, gleichen sich die zylinderseitig wirksamen Flä­ chen sehr schnell den sammelraumseitig wirksamen Flächen an, wodurch die Drucköffnung 7 bei einem deutlich niedrige­ ren Schließdruck wieder geschlossen wird.

Der Kolben 4 besitzt in einem Boden eine Verbindungs­ bohrung 32, die von einem Ventilkörper 19 eines Rückschlag­ ventils 18 überdeckt wird. Dieser hat am Umfang einen Rand 24, mit dem er an der Innenseite des Kolbenbodens an­ liegt und der von der Kolbenfeder 12 belastet und fixiert wird. Der Verbindungsbohrung 32 gegenüber liegt im Ventil­ körper 19 eine Ventilbohrung 20 mit einem Ventilsitz 21 gegenüber, gegen den eine Ventilfeder 23 einen Schließkör­ per 22 in Form einer Kugel drückt. Übersteigt der Druck im Zylinder 5 den Öffnungsdruck des Schließkörpers 22, öffnet dieser entgegen der Kraft der Ventilfeder 23 und der auf ihn wirkenden Beschleunigungskräfte, so dass die Druckspit­ zen im Zylinder 5 abgebaut werden und gleichzeitig ein Druckpolster zwischen dem Kolben 4 und der im Exzenterraum angeordneten Lagerschale 16 aufgebaut wird. Das Druckpol­ ster überträgt die Belastungsspitzen gedämpft auf die La­ gerschale 16 und den Antriebsexzenter 14, wodurch die Ge­ räusche und die Geräuschabstrahlung reduziert werden.

Die Ventilfeder 23 kann entfallen, wenn die Masse des Schließkörpers 22 so ausgelegt ist, dass allein die Be­ schleunigungskräfte zur Steuerung des Druckverlaufs ausrei­ chen. Fig. 3 zeigt über den Drehwinkel ϕ des Antriebsexzen­ ters 14 eine Hubkurve 27 eines Kolbens 4, eine Geschwindig­ keitskurve 28 und eine Beschleunigungskurve 29. Der obere Totpunkt der Hubkurve 27 ist mit 30 und der untere Totpunkt mit 31 bezeichnet. Die Fig. 3 zeigt den mathematischen Zu­ sammenhang zwischen der Bewegung des Kolbens 4 und seiner Beschleunigung, wobei die Beschleunigungskurve 29 zur Hub­ kurve 27 um einen Drehwinkel ϕ von 180° phasenversetzt ver­ läuft.

Bezugszeichen

1

Radialkolbenpumpe

2

Pumpenkörper

3

Pumpengehäuse

4

Kolben

5

Zylinder

6

Stopfen

7

Drucköffnung

8

Hohlraum

9

Ventilbandfeder

10

Sammelraum

11

Anschluss

12

Kolbenfeder

13

Antriebswelle

14

Antriebsexzenter

15

Dämpfungsring

16

Lagerschale

17

Saugöffnung

18

Rückschlagventil

19

Ventilkörper

20

Ventilbohrung

21

Ventilsitz

22

Schließkörper

23

Ventilfeder

24

Rand

25

Drehrichtung

26

Lagerscheiben

27

Hubkurve

28

Geschwindigkeitskurve

29

Beschleunigungskurve

30

oberer Totpunkt

31

unterer Totpunkt

32

Verbindungsbohrung
ϕ Drehwinkel

Claims (8)

1. Radialkolbenpumpe (1) mit einem Pumpenkörper (2), in dem Kolben (4) und Zylinder (5) radial zu einem An­ triebsexzenter (14) angeordnet sind und die Kolben (4) bei einem Einwärtshub über seitliche Saugöffnungen (17) in den Zylindern (5) Flüssigkeit ansaugen und bei einem Auswärts­ hub über Drucköffnungen (7) in den äußeren Stirnwänden (6) der Zylinder (5) die Flüssigkeit über Rückschlagventile (9) in einen Sammelraum (10) fördern, dadurch gekenn­ zeichnet, dass im Boden der Kolben (4) jeweils eine Verbindungsbohrung (32) zum Antriebsexzenterraum ange­ ordnet ist, die von einem Überdruckventil (18) gesteuert wird.

2. Radialkolbenpumpe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben (4) einen Hohlraum (8) aufweisen, der zur Drucköffnung (7) hin offen ist und in den ein die Verbindungsbohrung (32) überdecken­ der Ventilkörper (19) eingesetzt ist, der eine Ventilboh­ rung (20) mit einem Ventilsitz (21) besitzt, der mit einem Schließkörper (22) zusammenwirkt, indem er die Ventilboh­ rung (20) in Richtung auf den Hohlraum (8) schließt.

3. Radialkolbenpumpe (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Überdruckven­ til (18) durch auf den Schließkörper (22) wirkende Be­ schleunigungskräfte gesteuert wird.

4. Radialkolbenpumpe (1) nach Anspruch 2 oder 3, da­ durch gekennzeichnet, dass der Schließkör­ per (22) eine solche Masse besitzt, dass die Beschleuni­ gungskräfte, die auf den Schließkörper (22) wirken, die Gewichtskraft des Schließkörpers (22) übersteigen.

5. Radialkolbenpumpe (1) nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilboh­ rung (20) und/oder die Verbindungsbohrung (32) als Drossel­ bohrung ausgelegt sind.

6. Radialkolbenpumpe (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Drosselbohrung in Abhängigkeit von der Temperatur veränder­ bar ist.

7. Radialkolbenpumpe (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließkörper (22) durch eine Ventilfeder (23) belastet ist.

8. Radialkolbenpumpe (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (19) mit einem äußeren Rand (24) am Boden des Kolbens (4) anliegt und sich eine Kolbenfeder (12) mit ei­ nem Ende an dem Rand (24) abstützt.