DE1653472A1

DE1653472A1 - Mehrkolbenpumpe zur Erzeugung eines pulsationsfreien Foerderstroms

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Publication number: DE1653472A1
Application number: DE19671653472
Authority: DE
Original assignee: HAMBURGER MOTORENFABRIK CARL J
Current assignee: HAMBURGER MOTORENFABRIK CARL J
Priority date: 1967-11-29
Filing date: 1967-11-29
Publication date: 1971-08-19

Description

DR.-ING. RICHARD GLAWE · DIPL-ING. KLAUS DELFS · DIPL-PHYS. DR. WALTER MOLL

MÖNCHEN HAMBURG MÜNCHEN

2000 Hamburg 52 · Waltzslraße 12 ·· Tel. (0411) 89 22 55 8000 München 22 · UebherrsfraSe 20 · Tel. (0811) 22 65 48

L	P	16	IHRE	NACHRICHT VOM	J	HAMBURG
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BETRIFFT:		53	472.8-I5

Hamburger Motorenfabrik Carl Jastrara, 205 Hamburg 80

Mehrkolbenpuinpe zur Erzeugung eines pulsations— freien Förderstroms

Die Erfindung bezieht sich auf eine Mehrkolbenpuinpe zur Erzeugung eines pulsationsfreien ForderStroms, deren Kolben von Kurvenscheiben angetrieben sind, deren Arbeitsbereiche sich aus mehreren Abschnitten unterschiedlicher Pörderciiarakteristik zusammensetzen und phasenverschoben derart zueinander angeordnet sind, daß die Summe der Förder— ströme konstant ist₀

Die Abschnitte des Arbeitsbereichs der Kurvenscheiben können beispielsweise zunächst einer Parabelfunktion, dann einer archimedischen Spirale und schließlich einer Parabel funktion folgeiu Ein solcher Aufbau des Arbeitsbereiches ergibt eine Charakteristik mit einem zunächst

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POSFSCHECK. HAMBURG 1476 07 . BANK. COMMERZBANK, HAMBURG, 53/22904 . TELEGR.·. SPECHTZIES HAMBURG bzw. SPECHTZIES MÖNCHEN

Jj Unieriiiyo/I lArt. ϊ -j I Aus. 2 Γ Ir. I üut/. 3 else Änderungsgae. w. 4. 9.1967)

gleichförmig beschleunigten, dann konstant bleibenden und schließlich wieder gleichförmig verzögerten Förderstro«i_o

Die einzelnen Kurvenabschnitte sind so bemessen, daß jeweils die Parabelabschiiitte verschiedener Kurvenscheiben gegensinnig überlagert sind (USA-Patentschrift 1 766 610, deutsche Patentschriften 437 298 und 927 131).

Nach diesem Prinzip aufgebaute Pumpen haben den Nachteil eines bei konstanter Antriebsdrehzahl unveränderlichen Förderstroms„ Regelung ist nur über die Antriebsdrehzahl möglich. Drehzahlregelung ist bei vielen Antrieben nicht, bei den meisten Antrieben wirtschaftlich nur begrenzt möglicho

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Pumpe der eingangs genannten Art zu schaffen, die unabhängig von der Antriebsdrehzahl in weiten Grenzen regelbar ist.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß zwischen jeder Kurvenscheibe und dem zugehörigen Kolben ein Getriebe bestehend aus einer von der Kurvenscheibe hin- und hergehend angetriebenen schiefen Ebene mit verstellbarem Neigungswinkel und einem auf der schiefen Ebene gleitenden, quer dazu beweglich geführten und den Kolben antreibenden Stößel angeordnet ist.

Wenn der Neigungswinkel der schiefen Ebene Null ist, wenn also die schiefe Ebene parallel zu ihrer Führung bzw. zu der Führung des sie tragenden Schlittens liegt, ist der Förderstrom Null. Mit wachsendem Neigungswinkel wächst

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auch die Fördermenge« Die Förderrichtung kann bei negativem Neigungswinkel umgekehrt werden.

Das erfindungsgemäße Getriebe ist in seiner Eigenart auf die besonderen Verhältnisse kurvenscheibenbetriebener Kolbenpumpen ausgerichtet, weil es nämlich in diesem Zusammenhang mit vergleichsweise geringem Aufwand anwendbar ist und sich für die in diesem Zusammenhang vorliegende oszillierende Antriebsbewegung besonders eignet. Es hat darüber hinaus den Vorteil, daß es die Übertragung außerordentlich hoher Antriebskräfte gestattet, weil der auf der schiefen Ebene gleitende Stößel - wie dies in der einschlägigen Technik bekannt ist — mit einer praktisch unbegrenzten Zahl von Gleitrollen versehen werden kann, die die Kraft übertragen. Diesen Vorteil hat nur der Schlitten, dessen Arbeitsfläche als schiefe Ebene ausgebildet ist. Nicht ebene Arbeitsflächen verbieten die Anwendung großflächig tragender Einrichtungen zur Kraftübertragung — seien dies nun Rollen oder Gleitschuhe. Sie sind deshalb für die Lösung der gestellten Aufgabe unbrauchbar. Auch funktionell besteht ein grundlegender Unterschied, weil das erfindungsgemäße Getriebe nur ein proportional wirkendes Übertragungsglied ist, während Schlitten mit gekrümmten Arbeitsflächen das Weg-Zeitgesetz des Antriebs wandeln.

Die Kraftübertragung zwischen der Kurvenscheibe und dem die schiefe Ebene tragenden Körper und/oder zwischen der schiefen Ebene und dem Stößel kann erfindungsgemäß über Rollen erfolgen, wobei die .Rollflächen zweckmäßiger-

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weise eine übereinstimmende Rundverzahnung aufweisen» Durch die Rundverzahnung stehen die übereinander abrollenden Teile in Plächenkontäkt. Dadurch können erheblich höhere Kräfte übertragen werden als bei Linienkontakt.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß im wesentlichen pulsationsfreie Pörderströme mit sehr großer Leistung erzeugt werden können. Die erfindungsgemäße Anordnung eignet sich deshalb besonders für hydraulische Generatoren in hydraulischen Regelgetrieben, wobei der zugeordnete Motor ein beliebiger Verdrängermotor sein kann, der beispielsweise nach dem Prinzip des rotierenden Kapselmotors arbeitet.

Die Erfindung wird im folgenden näher unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert, die in Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Querschnitt durch eine Pumpe nach der Erfindung und in den Fig. 2 bis 5 Diagramme zeigt»

In dem Gehäuse 1 ist die Welle 2 der Kurvenscheibe 3 fest gelagert. Auf der gleichen Welle 2 sind weitere, nicht in der Zeichnung erscheinende Kurvenscheiben vorgesehen, die im Winkel entsprechend ihrer Gesamtzahl gegenüber der Kurvenscheibe 3 versetzt sind, ihr aber im übrigen gleichen.

Die Kurvenscheibe 3 hat einen als Arbeitsbereich bezeichneten Umfangsteil, der von einer dick gezeichneten Umrißlinie begrenzt ist und der sich über den Winkel

a erstreckt. Der übrige Winkelbereich Q^₁ der Kurvenscheibe

wird als Leerhubbereich bezeichnet. Im Arbeitsbereich der Kurvenscheibe wächst der Scheibenradius monoton von einen Mindestwert bei dem Radius k entgegen der Drehrichtung 5 der

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Scheibe bis auf einen Größtwert bei dem Radius 6. Im Leer« hubbereich verringert sich der Radius der Scheibe entsprechend.

Die Kurvenscheibe wirkt mit einer Rolle 7 zusammen, die in einem Schlitten 8 fest gelagert ist, der über Rollen 9 und 10 auf zwei zueinander parallelen Führungs— flächen 11 und 12 in Richtung des Pfeils 13 hin- und herbewegbar ist.

Der Schlitten 8 trägt eine schiefe Ebene 14, deren Winkel zur Bewegungsrichtung des Schlittens dadurch verstellbar ist, daß die Pührungsflache 12 unterschiedliche Höhe gegenüber der Pührungsf lache 11 einzunehmen vermag,, Dies ist in dem dargestellten Beispiel dadurch symbolisiert, daß die Fläche 12 von einem Kolben 15 getragen wird, der in einem Zylinder 16 willkürlich verschiebbar ist.

Mit der schiefen Ebene Ik wirkt ein Stößel 17 über einen Fuß 18 mit Rollen 19 zusammen. Der Fuß ist über einen Bolzen 20 an dem Stößel 17 schwenkbar befestigt, damit er den Schwenkbewegungen der schiefen Ebene bei Höhenverstellung der Fläche 12 folgen kann. Die schiefe Ebene ist gleichfalls schwenkbar mit dem die Rolle 9 tragenden Fuß 21 über einen Bolzen 22 verbunden. Die Vielzahl der Rollen 9 bzw. 19 symbolisiert die Fähigkeit der betreffenden Führungsorgane zur Übertragung großer Kräfte. Eine praktische Ausführungsform könnte auch tatsächlich derart ausgebildete Führungsorgane benutzen; selbstverständlich können sie aber auch anders gestaltet sein. Besonders vorteilhaft ist bei

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Verwendung von Führungen mit derartigen Rollen, die aber nicht in einer Mehrzahl vorhanden zu sein brauchen, die Rundverzahnung der aufeinander abrollenden Flächen, die eine größere Auflagefläche der aufeinander abrollenden Teile gewährleistet und deshalb glattgekrümmten Rollen vorzuziehen ist, die nur Linienkontakt mit einer Gegenfläche haben.

Der Stößel 17 ist geradlinig geführt in Richtung seiner Mittellinie. Es ist nicht unbedingt erforderlich, daß seine Führungsrichtung genau senkrecht zu der des Schlittens 8 verläuft. Hinsichtlich der Kraftübertragung kann es sogar günstiger sein, seine Führungsrichtung in der Zeichnung nach rechts oben zu neigen.

Der Stößel 17 ist fest mit dem Kolben 23 verbunden, der in dem Zylinder 2h gleitet, dessen Ventile bei 25 angedeutet sind, die den Durchlaß von einer Saugleitung bzw. zu einer Druckleitung steuern.

Die einzelnen Kolben der Vorrichtung, von der nur ein Kolben gezeichnet ist, sind parallel zueinander an diese Saug— bzw. Druckleitung angeschlossen.

Die Antriebseinrichtungen jedes dieser Kolben sind bis auf die Versetzung der Scheuerscheibe zueinander gleich, so daß es im vorliegenden Fall genügt, nur eine dieser Antriebseinrichtungen zu beschreiben. ■-..,-

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Der eingangs definierte Aufbau des Arbeitsbereichs der Kurvenscheibe wird im folgenden für Anordnungen mit unterschiedlicher Kolbenzahl im Zusammenhang mit den Figuren 2 — 5 erläutert:

Figur 2 zeigt ein Diagramm, das für eine Zweikolben-Anordnung gültig ist, und in welchem über dem Drehwinkel der Kurvenscheibe oben die Funktionen des Radius zweier Kurven— scheiben und unten die Funktionen der Antriebsgeschwindig— keit aufgetragen sind. Durchgezogene Linien sind die Funktionen der einen Steuerkurve, während die andere Steuerkurve durch gestrichelte Linien charakterisiert ist.

Der Arbeitsbereich der von der Kurve 25 charakterisierten Steuerscheibe reicht von dem Funkt ok= 0° bis zu dem Punkt oC3. Er besteht aus dem Abschnitt oCO - oCl, aC± - oC2 und O02 — oi-3. Der Bereich odO — oCl ist der eingangs definierte erste Abschnitt, von otl — o62 reicht der mittlere Abschnitt, während der letzte Abschnitt des Arbeitsbereichs Stoischen den Punkten o£2 und oLJ> liegt. Im ersten Abschnitt folgt die Kurve der oben näher bezeichneten Parabel— funktion, wobei die Konstante A sich als Mindestradius im Punkt o60 entsprechend den Radius 4 (Fig. 1) herausstellt, die Konstante B der Maxiaalradius im Punkt o63 entsprechend Radius 6 der Figur 1 ist. In dem zweiten Abschnitt, der im _: Punkt odl mit gleicher Steigung an das Ende des ersten Abschnitts anschließt, hat der Radius in der dargestellten Abwicklung linearen Verlauf, d.h. an der Kurvenscheibe den Ver-

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lauf einer archimedischen Spirale. Die Konstante C der obengenannten Funktion ist dabei der gedachte Schnittpunkt dieser Geraden mit der Ordinate.

Im letzten Abschnitt des Arbeitsbereiches hat die Radiusfunktion wiederum parabolischen Verlauf, umgekehrt zu dem im ersten Abschnitt.

In dem zwischen c6-3 ^un& 360 liegenden Leerhubbe—

reich kehrt der Radius in einer beliebigen Funktion auf den Wert A zurück.

Die Radiusfunktion der zweiten Kurvenscheibe (gestrichelter Verlauf) ist identisch mit der der ersten Kurvenscheibe unter einer Phasenverschiebung von 180 . Dabei zeigt sich, daß der erste Abschnitt der einen Kurve und der letzte Abschnitt des Arbeitsbereichs der anderen Kurve jeweils übereinander liegen.

Das unten dargestellte Diagramm zeigt die Antriebsgeschwindigkeiten, d.h. die ersten Ableitungen der Kurven im oberen Diagramm. Im ersten Abschnitt steigt die durchgezogene gestrichelte Geschwindigkeitskurve vom Wert 0 auf den Wert V^ an, behält diesen Wert im zweiten Abschnitt, während sie im dritten Abschnitt des Arbeitsbereichs wieder linear auf O sinkt. Im Leerhubbereich wird sie negativ. Der negative Bereich ist bei der gestrichelten Kurve der Einfachheit halber weggelassen, ebenso auch in den folgenden Diagrammen.

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Die gestrichelte Geschwindigkeitskurve hat denselben Verlauf wie die durchgezogene Geschwindigkeitskurve, phasenverschoben um 180 . Bei der Betrachtung des Diagramms zeigt sich, daß die Summe beider Geschwindigkeitskurven oberhalb der Abzisse konstant gleich V- ist. Das bedeutet, daß auch der von den beiden Zylindern verdrängte Förderstrom konstant, also pulsationsfrei ist.

Figur 3 zeigt ein entsprechendes Diagramm für eine Dreikolbenpumpe. Die Radiusfunktion der ersten Kurvenscheibe (durchgezogene Kurve) ist im ersten Abschnitt von 0 bis 120° parabolisch und von 120° bis 240° entgegengesetzt parabolisch. Die zugehörige Geschwindigkeitskurve ist, wie im unteren Teil des Diagramms gezeigt, dreiecksförmig_o Entsprechend verlaufen die Radius— und Geschwindigkeits— funktionen der anderen Kurvenscheiben, jeweils um 120° zueinander versetzt. Die Summen der Geschwindigkeits— funktionen oberhalb der Linie V=O sind dabei konstant. Bei dieser Anordnung weist der Arbeitsbereich jeder Kurvenscheibe nur einen ersten und einen letzten Abschnitt gemäß obiger Definition auf, während der mittlere Abschnitt mit linearem Radiusverlauf auf 0 zusammengeschrumpft ist.

Die Figuren k und 5 zeigen entsprechende Diagramme für eine Vierkolbenpumpe. Die Radiusfunktion ist in beiden Fällen nur für eine Kurvenscheibe gezeichnet, während darunter die Geschwindigkeitsverläufe auch für die anderen Kurvenscheiben bzw. Antriebe veranschaulicht sind.

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Die Ausführung gemäß Figur k zeichnet sich dadurch aus, daß den Arbeitsbereichen der Kurvenscheiben der sogenannte mittlere Abschnitt fehlt, so daß die Geschwindigkeitskurven sämtlich dreiecksförmig sind, die so zusammengesetzt sind, daß ihre Summe konstant V. ist. Demgegenüber hat die Anordnung, die zu dem Diagramm gemäß Fig. führt, Kurvenscheiben mit jeweils sich über 90 erstreckenden ersten, mittleren und letzten Abschnitten der Arbeitsbereiche, Der gesamte Arbeitsbereich erstreckt sich über 270°, während er im Falle der Figur h nur 180° einnimmt. Die Ausführung gemäß Figur 5 führt zu einer besseren Ausnutzung der Kurvenscheibe, wobei allerdings im Leerhub wesentlich größere Geschwindigkeiten auftreten.

Die Summe der Geschwindigkeiten gemäß Figur 5 ist V^, doh. doppelt so groß wie die in jedem einzelnen Antrieb erreichte Maximalgeschwindigkeit.

Die Winkelaufteilung des Arbeitsbereiches ist selbstverständlich nicht an ganze Bruchteile von 36O gebunden» Die ersten und letzten Abschnitte einerseits und die mittleren Abschnitte andererseits können vielmehr eine beliebige Länge haben, wobei lediglich dafür Sorge zu tragen ist, daß die Gesamtlänge jedes Arbeitsbereiches die oben näher definierte Länge hat. Es muß neben dem Arbeitsbereich ein genügend langer Leerhubbereich verbleiben« Dadurch entsteht die Bedingung, daß die Zahl m kleiner sein muß als die Kolbenzahl n„ Vorteilhaft ist, wenn die Zahl m kleiner ist als die Zahl η minus 1.

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Aus den beschriebenen Beispielen geht eindeutig hervor, wie der Erfindungsgedanke analog auf Pumpen mit anderer Kolbenzahl anzuwenden ist.

Die Funktion der Vorrichtung nach Figur 1 ist folgendermaßen:

Während des Arbeitshubes der Scheibe 3 wird der Schlitten 8 in der Zeichnung nach rechts verschoben,, Wenn der Kolben 15 so eingestellt ist, daß die schiefe Ebene 14 einen Winkel mit der Verschieberichtung des Schlittens einschließt, wird der Stößel 17 während des Arbeitshubes von der schiefen Ebene 14 in Pfeilrichtung 27 nach oben gedrängt. Der Kolben verdrängt dadurch Flüssigkeit aus dem Zylinder 24 in die Druckleitung. Nachdem der Radius 6 den Berührungspunkt mit der Rolle 7 überschritten hat, bewegt sioh der Schlitten entgegen dem Pfeil 13 zurück. (Leerhub). Wenn der Radius 4 die Rolle erreicht hat, beginnt ein neuer Arbeitshub.

Die Rückbewegung vollzieht sich aufgrund einer beliebigen, auf den Schlitten oder den Stößel 17 in Richtung des Leerhubes wirkenden Kraft, die in Figur 1 beispielsweise durch eine Feder 28 angedeutet ist.

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Claims

~ 12 PATENTANSPRÜCHE

l) Mehrkolbenpuinpe zur Erzeugung eines pulsations— freien Pörderstroms, deren Kolben von"Kurvenseheiben-angetrieben sind, deren Arbeitsbereiche sich aus mehreren Abschnitten unterschiedlicher Fördereharakteristilc zusammensetzen und phasenverschoben derart zueinander angeordnet sind, daß die Summe der Förderströme konstant

ist, dadurch gekennzeichnet,

daß zwischen jeder Kurven

scheibe (3) und dem zugehörigen Kolben (23) ein Getriebe bestehend aus einer von der Kurvenscheibe hin- und hergehend angetriebenen schiefen Ebene (14) mit verstellbarem Neigungswinkel und einem auf der schiefen Ebene gleitenden, quer dazu beweglich geführten und den Kolben antreibenden Stößel (17) angeordnet ist_oj
2) Mehrkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftübertragung zwischen der Kurvenscheibe und dem die schiefe Ebene tragenden Körper (8) und/oder zwischen der schiefen Ebene und dem Stößel (17) über Rollen (19) erfolgt, wobei die Rollflächen insbesondere eine übereinstimmende Rundverzahnung aufweisen.

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