DE3431158A1

DE3431158A1 - Radialkolbenmaschine, insbesondere kugelkolbenpumpe

Info

Publication number: DE3431158A1
Application number: DE19843431158
Authority: DE
Inventors: Ludwig 6000 Frankfurt Budecker; Georg 6230 Frankfurt Obersteiner
Original assignee: Alfred Teves GmbH
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 1984-08-24
Filing date: 1984-08-24
Publication date: 1986-03-06
Also published as: DE3431158C2; GB2163493B; JPS6161985A; GB8519797D0; JPH081168B2; FR2569447A1; FR2569447B1; GB2163493A

Description

Die Erfindung betrifft eine Radialkolbenmaschine, insbesondere eine Kugelkolbenpumpe, mit zumindest einem Kugelkolben, dessen an einem Kubring abrollbare Kugel mit ihrer Mantelfläche in einer Zylinderbohrung eines relativ zu einem mit Zu- und Abflußkanälen versehenen Steuerzapfen drehbaren Zylinderkörpers gleitend geführt ist.

Eine Radialkolbenmaschine der vorgenannten Art ist aus der DE-PS 873 207 bekannt* Auf einem gehäusefest angeordneten Steuerzapfen ist der Zylinderkörper mit den in radial zur Achse angeordneten Zylinderbohrungen geführten Kugelkolben drehbar gelagert. Exzentrisch zur Steuerzapfenachse ist an der Innertseite des Gehäuses ein Hubring angeordnet. Bei der Rotation des Zylinderkörpers werden die Kugelkolben unter der Wirkung der Zentrifugalkraft in ihren zylindrischen Führungen nach außen bewegt, legen sich gegen den Hubring an und. rollen normalerweise auf der Lauffläche des Hubringes ab, während sie in der Zylinderbohrung hin- und hergehende Bewegungen ausführen. Die Kugel gleitet dabei an der Wandung der Zylinderbohrung und rotiert gleichzeitig aufgrund der Abrollbewegung am Hubring um ihren Mittelpunkt, was zu einer weiteren Gleitbewegung ihrer Außenumfangsfläche an der Wandung der Zylinderbohrung führt. Das Gleiten der Kugel an der Innenwand der Zylinderbohrung wird beeinflußt von der Art des Arbeitsmediums und seiner Schmierfähigkeit. Bei ungünstigen Betriebsbedingungen, wie z.B. bei hohen Betriebstemperaturen und/oder Arbeitsmedien mit geringer Schmierfähigkeit besteht die Gefahr, daß die Gleitbewegungen der Kugel, die

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aus ihrer Rotation in der Zylinderbohrung resultiert/ erschwert bzw. ganz verhindert wird, was zu einer Gleitbewegung der Kugel auf der Lauffläche des Hubrings führen kann. Die dabei entstehenden Reibungsverhältnisse führen zu einem schlechten Wirkungsgrad der Maschine und einem übermäßigen Verschleiß.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer einfach aufgebauten Radialkolbenmaschine mit gutem Wirkungsgrad.

Gelöst wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch, daß der Hubring über Wälzkörper oder über eine Gleitlagerung gegen das Gehäuse abgestützt ist.

Durch die erfindungsgemäße /ausbildung ergeben sich statt der unter ungünstigen Betriebsbedingungen sich einstellenden ungünstigen Gleitreibungsverhältnisse (Kugel/Hubring) wirkungsgradmäßig bedeutend vorteilhaftere ReibungsverhSltnisse. Statt einer Abstützung am Gehäuse kann vorteilhaft eine Abstützung an einem Stator bzw. dem Steuerzapfen vorgesehen sein.

Besonders vorteilhaft ist eine Weiterbildung der Erfindung, bei der der Kugel kolben ein weiteres in der Zylinäerbohrung gleitendes und mit der Kugel zusammenwirkendes Kolberielement aufweist. Liegen Kugel und weiteres Kolbenelement unter bestimmten Betriebsbedixigungen (hohe Temperatur, geringe Viskosität des Arbeitsmediums) aneinander art, so gleitet die Kugel an Flächen des Kolbenelements aufgrund ihrer Rotation. Es wird ein wesentlich verbesserter volumetrischer Wirkungsgrad aufgrund der zusätzlichen Dichtwirkung des Kolbenelements erreicht; es sinkt aber

der mechanische Wirkungsgrad aufgrund der zusätzlichen Reibung zwischen Kugel und Kolbenelement. Durch die Wäiz^ oder Gleitlagerung des iJubrings im Gehäuse liegt Rollreibung bzw. Gleitreibung mit niedrigere! Reibwert zwischen Hubring und gehäusefestern Abstützbauteil vor, wobei gleichzeitig die Kugel keine aus ihrer Rotation resultierenden Gleitbewegung an Flächen des weiteres Kolbenelements und keine Gleitbewegung auf dem Hi'br ing. ausführt. Durch die reibungsarme Lagerung des Hubrings wird bei dieser Weiterbildung sowohl der mechanische als auch der volumetrische Wirkungsgrad und damit der Wirkungsgrad insgesamt weiter verbessert. Liegen unter bestimmten Betriebsbedingungen (niedrige Temperatur, hohe Viskosität des Arbeiteraediums) Kugel und weiteren Kolbenelement nicht aneinander an, weil das Kolbenelement aufgrund der hohen Viskosität des Arbeitsmediums keine zur Kugelbewegung synchrone Hubbewegung ausführt, so gleitet die Kugel nur an der Wandung der Zylinderbohrung und nicht am weiteren Kolbenelement und rollt im wesentlichen auf dem Hubring ab, dessen Rotation aufgrund der hohen Viskosität des Hydraulikmediums gebremst oder ganz unterbunden ist. Neben einem hohen volumetrische!! Wirkungsgrad erhält man einen hohen mechanischen Wirkungsgrad, unabhängig von den momentanen Betriebsbedingungen ergibt sich bei dieser Weiterbildung eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades*

Bezüglich der Materialauswahl, der Fertigung und der Montage ist es vorteilhaft, daß zwischen den Wälzkörpern und dem gehäusefest angeordneten Abstützteil ein feststehender Lagerring angeordnet ist. Eine Feinbehandlung der Lauffläche für die Wälzkörper am Gehäuse bzw. am Stator oder am Steuerzapfen ist dabei nicht erforderlich.

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Vorteilhafte Weiterbildungen, die wenig Bauraum beanspruchen, sehen vor, daß Kugelkolbcn und Wälzkörper in einer gemeinsamen Querschnittsebene angeordnet sind oder daß die Kugelkolben und die Wälzkörper in verschiedenen, axial beabstandeten Querschnittsebenen angeordnet sind. Je nach der gewählten Aus führ ungs form ergibt, sich eine Bauraumersparnis in radialer oder axialer Richtung.

Durch Verwendung von Normbauteilen besonders günstige Ausfiihrungsformen sehen vor, daß die Wälzkörper als Kugeln bsw. Rollen ausgebildet sind, oder daß ein komplettes Wälzlager oder besonders reibungsarmes Gleitlager (mit beispielsweise Teflon-beschichteten Flächen) eingesetzt wird.

Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Kugelkolbenpümpe,

Fig. 2 einen Querschnitt der Pumpe nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Längsschnitt einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kugelkolbenpumpe,

Fig. 4 einen Längsschnitt einer weiteren Ausführungsforra einer erfindungsgemäßen Kugelkolbenpumpe .

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Die Kugel kolbenpuiTipe nach den Figuren 1 und 2 umfaßt ein auf der einen Stirnseite geschlossenes, topf artiges Gehäuse 1, welches an einer nicht näher dargestellte Antriebseinrichtung angeflanscht ist. Das Gehäuse 1 besitzt einen Sauganschluß 2 und einen in einen Sammelraum 3 mündenden, nicht näher dargestellten Druckanschluß.

Im Inneren des Gehäuses 1 befindet sich eine Rotor-Stator-Einheit/ die über elastisch abdichtende Stützkörper in Form von O-Ringen am Gehäuse 1 abgestützt ist. Die Rotor-Stator-Einheit besteht im wesentlichen aus einem äußeren Stator 5 und einem inneren, in einer topfartigen Vertiefung 12 des Stators 5 angeordneten den Zylinderkörper bildenden Rotor 7. Der Stator 5 ist gegen das Gehäuse 1 drehfest gehalten durch einen Stützstift 6, der in Bohrungen in den Stirnflächen von Stator 5 und Gehäuse 1 angeordnet ist.

Der Rotor; 7 ist drehbar auf dem in die Vertiefung 12 ragenden Ende eines zentralen Steuerzapfens 20 angeordnet, der seinerseits in einer Innenbohrung des Stators 5 gehalten ist. Im Innern des Steuerzapfens 20 verlaufen ein Zuflußkanal 21 sowie ein Abflußkanal 22.

Im Innern des Rotors 7 ist eine durchgehende radiale Zylinderbohrung 14 ausgebildet, in deren diametral gegenüberliegenden Abschnitten jeweils ein Kugelkolben 10 radial verschieblich eingeordnet ist.

Der Kugelkolben 10 ist zweiteilig ausgeführt und besteht aus einer radial außen angeordneten Kugel 15 und einem

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radial innen eingeordneten Kolboneleinent 25 in Form einer Hülse. Kugel 15 und Hülse 25 gledten in der Zylinderbohrung 14 und sind gegeneinander beweglich. Zuflußkanal 21 und Abflußkanal 22 sind durch Drehung des Rotors 7 mit den Innenräuraen der Zylinderbolirung 14 verbindbar.

In der Vertiefung 12 des Stators 5 ist exzentrisch zum Steuerzapfen 20 ein Hubring 8 mit einer' Laufläche 9 für die Kugelkolben 10 angeordnet. Der Hubring 8 ist über Wälzkörper 30 in Form von Rollen und einen Lagerring 31 drehbar im Stator 5 und im Gehäuse 1 gelagert. Die Kugeln 15 der Kugelkolben 10 sind bei Drehung des Rotors 7 an der Lauffläche 9 des exzentrisch angeordneten Hubrings 8 abrollbar. Falls das Gleiten der Kugel 15 des Kugelkolbens 10 aufgrund ihrer Abrollbewegung auf dem Hübring 8 in der 7-yl inderbohrung 14 schwergängig erfolgt, kann der Hubring 8 aufgrund der Wälzlagerung rotieren und mit dem Rotor 7 im wesentlichen synchron umlaufen, wobei die Kugeln 15 nicht mehr auf dem Hubring 8 abrollen.

Zwischen Lauffläche 9 des Hubrings 8 und dem gegenüberliegenden Teil der Rotorumfangsfläche ist durch die exzentrische Anordnung ein ringförmiger Arbeitsraum 17 gebildet, dessen radiale Querschnittsabmessungen sich längs des ümfangs verändern. Eine Abscblußscheibe 11 umgreift den aus der Vertiefung 12 ragenden Abschnitt des Rotors 7 und verschließt die topfartige Vertiefung 12 des Stators 5 in axialer Richtung bis auf eine Einlaßöffnung •13.

Zwischen dein Boden der topf art.igen Vertiefung 12 und der

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diesem zugewandten Stirnfläche des Rotors 7 ist ein Ringraum 16 ausgebildet, dor radial durch Umfangsflächen von Rotor 7 und Stator 5 begrenzt wird«, Der Ringraum 16 ist mit dem zwischen Lauffläche 9 und Rotor 7 befindlichen Arbeitsraum 17 über eine Ausnehmung 18 verbunden. In den Ringraum 16 ragt ein parallel zur Ringraumachse angeordnetes Stauelement in Form eines Stiftes 19, dessen Durchmesser in etwa der .radialen QuerschnittsabEiessung des Ringraums 16 entspricht. In Drehrichtung vor dem Stauelement befindet sich eine Anschlußöffnung 28, die mit dem Zuflußkanal 21 verbunden ist.

Der Rotor 7 ist über eine axial- und drehelastische Federkupplung 23 ro.it einem Ende der Αηε-schlußwelle 24 der Antriebseinrichtung verbunden»

Die Kugel kolbenpumpe nach den Figuren 1 und 2 besitzt insgesamt drei Pumpstufen. Zunächst erfolgt in zwei Stufen eine Aufladung des am Sauganschluß 2 eintretenden Hydraulikinediura£j auf den Aufladedruck, das unter diesem Druck der Hochdruckstufe zugeführt wird. Dxirch die in. den Rotor-Zylinderbohrungen 14 gleitenden Kugelkolben 10 wird die Druckerhöhung .in der Hochdruckstufe bewirkt.

Der Arbeitsraum 17 der ersten Aufladestufe befindet sich zwischen Lauffläche 9 und Rotorurnfangs fläche und wird durch die über die Rotorurnfangsfläche hinausragenden Kugeln 15 unterteilt.

Der Arbeitsraum der sich anschließenden zweiten Aufladestufe ist der Ringraum 16, in den axial der Stift 19 hineinragt.

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Beim Betrieb der Kugelkolbenrra'npe gelangt Arbeitsmedium vom Sauganschluß 2 über die Einlaßöffnung 13 in den Arbeitsraxim 17 zwischen Rotoruinfangsflache und Lauffläche 9 und wird bei Drehung des Rotors in der durch einen Pfeil gekennzeichneten Drehrichtung unter Druckerhöhung aufgrund des sich verändernden Volumens über die Ausnehmung 18 in den Ringraum 16 .geschoben. Durch .den sich drehenden Rotor 7 wird eine kreisförmige Ströiaung im Ringraum 16 hervorge-rufen. Durch den den Querschnitt des Ringraums 16 an ■ seinem Montageort in etwa abdeckenden Stift 19 wird das Arbeitsmedium an dieser Stelle gestaut und eine v/eitere Druckerhöhung durch den Staudruck im Arbeitsmedium erzeugt. Das Arbeitsmedium weist nun den Aufladedruck auf und gelangt über die Anschlußöffnung 28 in den Zuflußkanal 21 im Steuerzapfen 20 und in einem bestimmten Drehbereich über den Zuflußkanal 21 im Steuerzapfen 20 in den Hoch- druckarbeitsrauin im Inneren der Rotor-Zylinderbohrung 14. Nach einer bestimmten Weiterdrehung des Rotors 7 ist der Hochdruckarbeitsraum mit dem Abflußkanal 22 im Steuerzapfen 20 verbunden, der über eine im Stator 5 angeordnete Verbindungsleitung 27 mit einem Sammelraum 3 zwischen Stator 5 und Gehäuse 1 verbunden ist, in den schließlich der Druckanschluß mündet.

Beim Betrieb der Pumpe wird der Rotor 7 durch den in dem Ringraum 16 herrschenden Druck in Axialrichtung gegen die in dieser Richtung elastische und eine Vorspannkraft auf den Rotor ausübende Federkupplung 23 gedruckt und liegt somit nicht am Stator 5 an.

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oder Nadelkäfig oder auch aufgrund einer nicht dargestellten Gleitlagerung beansprucht die Pumpe in radialer Richtung wenig Bauraum. bine weitere Reduzierung der Erstreckung in radialer Richtung laßt sich dadurch erreichen, daß der radial äußere Lagerring des Wälzlagers direkt am Gehäuse gelagert ist, statt, wie bei der oben beschriebenen. Ausführung, in einem zwischengeordneten Stator/ eine derartige Ausführung ist in der Figur 4 dargestellt.

In Fig. 3 ist eine der eingangs beschriebenen Ausführung ähnliche Kugelkolbenpurape dargestellt; einander entsprechende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der wesentliche Unterschied liegt neben Unterschieden in der Führung des Arbeitwrnediums und dem Wegfall der Aufladung auf einen Aufladedruck darin, daß nun die Kugelkolben und die Wälzkörper nicht juehr in einer geiueinsamen Quersehnittsebene angeordnet sind, sondern in zwei Querschnittsebenen, die einen axialen Abstand zueinander aufweisen.

Im Gehäuse 1 der Kugelkolbenpuinpe ist die Rotor-Stator-Einheit elastisch gelagert. Die Rotor-Statoreinheit weist einen topfförmigen Stator 5 auf, in dessen Bodenteil eine in den Hohlraum 12 des Stators 5 hineinragende Buchse 40 Eur Aufnahme des vSteuerzapfens 20 und. zur Abstützung der Wälzkörper 30, die ihrerseits den Hubring 8 abstützen, eingesetzt ist. Auf dem Steuerzapfen 20 ist der Rotor 7 gelagert, der mit einem Fortsatz, der zur Kopplung mit einer Antriebsmaschine dient, aus dera durch eine Abschlußscheibe 11 abgeschlossenen Hohlraum 12 des Stators 5 ragt.

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Im Inneren des Steuerzapferis 20 verläuft ein Zuflußkanal 21 zur Zylinderbo'hrung 14 im Rotor 7, der an der der Antr xebsinaschxne abgewandten Stirnseite des Steuerzapfens 20 in einen mit dem Gauganschluß 2 der Pumpe in Verbindung stehenden Raum 45 mündet. Der mit der Zylinderbohrung 14 verbindbare Abflußkanal 22 im Steuerzapfen 20 wird weitergefuhrt durch den Stator 5 und mündet in einen Sammelraum 3/ der mit einem Druckanschluß in Verbindung steht.

Der Hubring 8 v/eist eine gestufte Innenbohrung auf. Der mit dem größeren Innendurchmesser versehene Abschnitt des Hubrings 8 umgibt die Außenuinfangsfläche des Rotors 7 und erstreckt sich in axialer Richtung bis über die Mitte der Zylinderbohrung 14 hinweg. Der Abschnitt mit kleinerem Innendurchmesser bildet die Lauffläche für die kugelförmigen Wälzkörper 30. Der kleinere Innendurchmesser ist so gewählt, daß die Wälzkörper 30 auf einem kleineren Durchmesser abrollen und somit das Meibmoment kleiner ist. Der Abschnitt kleineren Durchmessers erstreckt sich im wesentlichen von der dem Boden des Stators 5 zugewandten Stirnfläche des Rotors 7 bis zum Boden des Stators 5. Die Wälzkörper 30 sind unter Zwischenschaltung eines Lagerrings an der im Stator 5 angebrachten Buchse 40 abgestützt; die Buchse 40 und der Stator 5 können auch einteilig sein.. Die Breite des Lagerringes 31 entspricht im wesentlichen der axialen Erstreckung des Hubringabschnitts mit kleinerem Innendurchmesser. Die Querschnittsebenen, in denen einerseits die Abstützungen für die Kugeln der Kugelkolben und andererseits die Abstützung der kugeligen Wälzkörper erfolgt, weisen einen axialen Abstand auf.

Die in Fig. 3 dargestellte Kugelkolbonpumpe baut radial

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sehr klein, da sich zwischen Gehäuse 1 bzw. Stator 5 in radialer Richtung lediglich ein Ilubringabschnitt befindet? die Lagerstelle des Hubrings 8 ist axial neben dem Rotor 7 angeordnet.

Die Wirkungsweise der Kugelkolbenpumpe nach Fig. 3 entspricht bis auf die Aufladung der. Druckmittels der Wir- . kungsweise der Pumpe nach Pig. I. '

Die Kugelkolbenpumpe gemäß Fig. 4 entspricht im Prinzip der in Fig« I dargestellten Pumpe; einander entsprechende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der wesentliche Unterschied liegt darin, daß der Stator entfällt und der Lag erring 31, an dem sich über die Wälzkörper 30 der Hubring 8 abstützt, direkt im Gehäuse befestigt' ist. Der Lagerring 31 ist als ein die nadeiförmigen Wälzkörper 30 teilweise umgebendes Blechteil ausgebildet.

Die Kugelkolbenpume nach Fig. 4 v/eist eine im wesentlichen gleichartige Führung des ArbeitsTnediums auf wie die Pumpe nach Fig. 1 und besitzt wie diese insgesamt drei Pumpstufen.

Der Arbeitsraum 17 der ersten Aufladestufe befindet sich zwischen Lauffläche 9 und Rotorumfangsfläche und wird durch die über die Rotorumfangsfläche hinausragenden Kugein 15 unterteilt.

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Der Arbeitsraum der sich anschließenden zweiten Aufladestufo ist der Ringraurn IG, in den axial dex" Stift 19

DurcVj die in den Rotor-Zyliiiderbohrungen 14 gleitenden Kugslkolben 10 wird die Druckerhöhung in der Hochdruckstuf c bewirkt.

Leerseite

Claims

Patentansprüche
2.

Radialkolbenmaschine, insbesondere Kugelkolbenpumpe, mit zumindest einem Kugelkolben, dessen an eixiem Hubring abrollbare Kugel mit ihrer Mantelfläche in einer Zylinderbohrung eines relativ zu einem mit 2u- und Äbflußkanälen versehenen Steuerzapfen drehbaren Zylinderkörpers gleitend geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Hubring (8) über Wälzkörper (30) oder über eine Gleitlagerung gegen das Gehäuse (1) abgestützt ist.

Radialkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch g e kennzei chnet, daß der Hubring (8) an einem im Gehäuse (1) elastisch gelagerten Stator (5) abgestützt ist.
3. Radialkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hubring (8) am Steueraapfen (20) abgestützt ist.
4. Radialkolbenmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kugelkolben (10) ein weiteres, in der Zylinderbohrung (14) gleitendes und mit der Kugel (15) zusammenwirkendes Kolbenelement (25) aufweist*
5. Radialkolbenmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Wälzkörpern (30) und dem gehäusefest angeordneten Abstützteil ein Lagerring (31) angeordnet ist.
6. Radialkolbenmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Kugelkolben (10) und Wälzkörper (30) in einer genieinsamen Querschnittsebene angeordnet sind.
7. Radialkolbenmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Kugelkolben (10) und Wälzkörper (30) in verschiedenen, axial beabstandeten Querschnittsebenen angeordnet sind.
8. Radialkolbenmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wälzkörper (30) als Kugel ausgebildet ist.
9. Radialkolbenmaschine nach einem oder mehreren der

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vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e .η η zeichnet, daß der Wälzkörper (30) als Rolle ausgebildet ist.
10. Radialkolbenmaschine nach einem oder „mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützung des Hubringes (8) mittels handelsüblicher Wälzlager oder Gleitlager erfolgt.