DE3431158C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Radialkolbenmaschine, insbesondere eine Kugelkolbenpumpe, mit zumindest einem Kugelkolben.

Aus der DE-OS 32 19 513 ist eine Radialkolbenmaschine bekannt, bei der gemäß Fig. 1 bis 5 nebst dazugehörigen Beschreibungen auf der Aufladedruckseite in einem ersten Schritt aufgeladen wird. Das aufgeladene Druckmittel wird dann in die radial angeordneten Pumpenzylinder gefördert und auf Hochdruck verdichtet. Die Druckaufladung übt dabei eine Kraft auf den Rotor aus, der einer entgegengesetzten Richtung einer auf den Rotor wirkenden Federkupplung entgegenwirkt und somit den Rotor weitgehend reibungskraftfrei lagert.

Da die Kugeln selbst auf dem Hubring in einer ringförmigen Nut mit kreissektorförmigem Querschnitt laufen, wobei auf die Kugeln in seitlicher Richtung wiederum sowohl die Kräfte der vorgespannten Feder als auch die Kraft aufgrund des Aufladedrucks wirkt, ist der Lauf der Kugeln in der Kugelbahn und damit deren Reibung schwer bestimmbar.

Die Erfindung geht daher aus von einer Radialkolbenmaschine der sich aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ergebenden Gattung und hat sich zur Aufgabe gestellt, einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen und dabei eine schonende Beaufschlagung der bewegten Teile zu erreichen.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die sich aus dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 ergebende Merkmalskombination gelöst. Die Erfindung besteht im Prinzip also darin, den Druck des verwendeten Druckmittels in zwei getrennten Stufen durch die Drehbewegung des Rotors aufzuladen bis das Druckmittel schließlich zu der dritten Stufe geführt wird, indem die Verdichtung auf Hochdruck erfolgt. Auf diese Weise wird die Drehbewegung des Rotors zu einer doppelten Aufladung des Druckmittels ausgenutzt, bevor die eigentliche Hochdruckverdichtung beginnt.

Eine einfache Verbindung der beiden der zweistufigen Aufladung dienenden Räume vor der Hochdruckverdichtung wird durch die sich aus Anspruch 2 ergebende Merkmalskombination in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung erreicht.

Eine besonders einfache Ausgestaltung des zweiten Druckraums läßt sich dann anwenden, wenn in Fortbildung der Erfindung die in Anspruch 3 angegebenen Merkmale Verwendung finden. In diesem Falle läßt sich als Laderaum für die zweite Stufe ein einfacher kreiszylinderförmiger Raum verwenden, in dem der Rotor exzentrisch umläuft.

Eine eindeutige Lage hinsichtlich des Laufes der Kugeln in ihrer Bahn auf dem Hubring läßt sich durch die Maßnahmen gemäß Anspruch 4 in Fortbildung der Erfindung erreichen. Da hierdurch der Aufladedruck gegen die seitliche Lagerkraft der Kugeln im Hubring wirkt, ist die Laufbahn der Kugeln durch den Aufladedruck eindeutig bestimmt, wobei der Ladedruck durch die Drehgeschwindigkeit des Rotors weitgehend vorgegeben ist. Die zusätzliche Verwendung einer entgegenstehenden Feder läßt sich demgemäß vermeiden.

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

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Kugelkolbenpumpe,

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 Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kugelkolbenpumpe.

Die Kugelkolbenpumpe nach den Fig. 1 und 2 umfaßt ein auf der einen Stirnseite geschlossenes, topfartiges Gehäuse 1, welches an einer nicht näher dargestellte Antriebseinrichtung angeflanscht ist. Das Gehäuse 1 besitzt einen Sauganschluß 2 und einen in einem Sammelraum 3 mündenden, nicht näher dargestellten Druckanschluß.

Im Inneren des Gehäuses 1 befindet sich eine Rotor-Stator- Einheit, die über elastisch abdichtende Stützkörper 4 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 angeordnet ist.

Der Kugelkolben 10 ist zweiteilig ausgeführt und besteht aus einer radial außen angeordneten Kugel 15 und einem radial innen angeordneten Kolbenelement 25 in Form einer Hülse. Kugel 15 und Hülse 25 gleiten in der Zylinderbohrung 14 und sind gegeneinander beweglich. Zuflußkanal 21 und Abflußkanal 22 sind durch Drehung des Rotors 7 mit den Innenräumen der Zylinderbohrung 14 verbindbar.

In der Vertiefung 12 des Stators 5 ist exzentrisch zum Steuerzapfen 20 ein Hubring 8 mit einer Lauffläche 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 Hubring 8 in der Zylinderbohrung 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 Umfangs verändern. Eine Abschlußscheibe 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 dem Boden der topfartigen Vertiefung 12 und der diesem zugewandten Stirnfläche des Rotors 7 ist ein Ringraum 16 ausgebildet, der 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 Querschnittsabmessung 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 mit einem Ende der Anschlußwelle 24 der Antriebseinrichtung verbunden.

Die Kugelkolbenpumpe nach den Fig. 1 und 2 besitzt insgesamt drei Pumpstufen. Zunächst erfolgt in zwei Stufen eine Aufladung des am Sauganschluß 2 eintretenden Hydraulikmediums auf den Aufladedruck, das unter diesem Druck der Hochdruckstufe zugeführt wird. Durch 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 Rotorumfangsfläche und wird durch die über die Rotorumfangsfläche hinausragenden Kugeln 15 unterteilt.

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

Beim Betrieb der Kugelkolbenpumpe gelangt Arbeitsmedium vom Sauganschluß 2 über die Einlaßöffnung 13 in den Arbeitsraum 17 zwischen Rotorumfangsfläche und Lauffläche 9 und wird bei Drehung des Rotors in der durch einen Pfeil gekennzeichneten Drehrichtung unter Druckerhöhung aufgrund des sich verjüngenden Volumens über die Ausnehmung 18 in den Ringraum 16 geschoben. Durch den sich drehenden Rotor 7 wird eine kreisförmige Strömung im Ringraum 16 hervorgerufen. Durch den den Querschnitt des Ringraums 16 an seinem Montageort in etwa abdeckenden Stift 19 wird das Arbeitsmedium an dieser Stelle gestaut und eine weitere 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 in den Hochdruckarbeitsraum 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 gedrückt und liegt somit nicht am Stator 5 an.

Aufgrund der Wälzlagerung mittels Rollen- bzw. Nadellager oder Nadelkäfig oder auch aufgrund einer nicht dargestellten Gleitlagerung beansprucht die Pumpe in radialer Richtung wenig Bauraum. Eine weitere Reduzierung der Erstreckung in radialer Richtung läßt 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 Fig. 4 dargestellt.

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

Im Gehäuse 1 der Kugelkolbenpumpe ist die Rotor-Stator- Einheit elastisch gelagert. Die Rotor-Stator-Einheit weist einen topfförmigen Stator 5 auf, in dessen Bodenteil eine in den Hohlraum 12 des Stators 5 hineinragende Buchse 40 zur Aufnahme des Steuerzapfens 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 dem durch eine Abschlußscheibe 11 abgeschlossenen Hohlraum 12 des Stators 5 ragt.

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

Der Hubring 8 weist eine gestufte Innenbohrung auf. Der mit dem größeren Innendurchmesser versehene Abschnitt des Hubrings 8 umgibt die Außenumfangsfläche 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 Reibmoment 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 31 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 Kugelkolbenpumpe baut radial sehr klein, da sich zwischen Gehäuse 1 bzw. Stator 5 in radialer Richtung lediglich ein Hubringabschnitt 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 des Druckmittels der Wirkungsweise der Pumpe nach Fig. 1.

Die Kugelkolbenpumpe gemäß Fig. 4 entspricht im Prinzip der in Fig. 1 dargestellten Pumpe; einander entsprechende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der wesentliche Unterschied liegt darin, daß der Stator entfällt und der Lagerring 31, an dem sich über die Wälzkörper 30 der Hubring 8 abstützt, direkt im Gehäuse befestigt ist. Der Lagerring 31 ist als ein die nadelförmigen Wälzkörper 30 teilweise umgebendes Blechteil ausgebildet.

Die Kugelkolbenpumpe nach Fig. 4 weist eine im wesentlichen gleichartigen Führung des Arbeitsmediums 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 Kugeln 15 unterteilt.

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

Durch die in den Rotor-Zylinderbohrungen 14 gleitenden Kugelkolben 10 wird die Druckerhöhung in der Hochdruckstufe bewirkt.

Claims (4)

1. Radialkolbenmaschine, insbesondere Radialkolbenpumpe, mit zumindest einem Kugelkolben, dessen an einem äußeren Hubring oder Stator abrollbare Kugel mit einem Kolbenelement zusammenwirkt, das in einer Radialbohrung eines auf einem feststehenden, mit Zu- und Abflußkanälen versehenen Steuerzapfen drehbaren Rotors gleitet, wobei die Kugel mit ihrer Mantelfläche unmittelbar in der Radialbohrung geführt ist und wobei zwischen Rotor und Hubring eine erste Aufladung stattfindet, dadurch gekennzeichnet, daß das der Radialbohrung (14) zuzuführende Druckmittel über eine zweite Pumpenstufe (16) aufgeladen ist, die durch einen am axialen Ende des Rotors (7) gebildeten Ringraum (16) dargestellt ist.

2. Radialkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden als Ringräume (16, 17) ausgestalteten Pumpenstufen über eine weitere Ausnehmung (18) im Stator (5) verbunden sind.

3. Radialkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den zweiten Ringraum (16) ein parallel zur Rotorachse verlaufendes, im Stator verankertes Stauelement (19) ragt.

4. Radialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (7) durch den im Ringraum (16) herrschenden Druck in Axialrichtung gegen die Rotorkupplung vorgespannt wird.