DE3911562C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kapselpumpe oder -motor für Fluide, insbesondere Hydraulikflüssigkeiten, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine gattungsbildende Kapselpumpe oder ein gattungsbildender Kapselmotor ist aus der DE 31 34 239 C2 bekannt geworden. Der hieraus bekannte Aufbau erlaubt in äußerst vorteilhafter und einfacher Weise, daß bei maximaler Drehmomentübertragung und damit höherer Leistung die Förderstromschwankungen der Pumpe bzw. die Schwankungen des abgegebenen Drehmomentes beim Motor äußerst gedämpft sind und dies bei vergleichsweise einfachster Herstellungsmöglichkeit.

Beim bekannten Stand der Technik ist dabei ein im Inneren der Kapselpumpe oder des Kapselmotors befindlicher im Querschnitt quaderförmiger Steuerkolben vorgesehen, der einmal in einer rechteckförmigen Nut in einem Drehschieber und in einer zweiten Ebene in einer dazu senkrecht verlaufenden zweiten nutförmigen Schlitzbahn beweglich ist. Durch die vom quadratischen Steuerkolben durchsetzte und exzentrisch untergebrachte Laufscheibe im Inneren des Gehäuses werden beidseitig des steuerförmigen Kolbens jeweils gegensinnig druckbeaufschlagbare Arbeitsräume gebildet, die über entsprechende Einlaß- und Auslaßkanäle in Verbindung stehen. Im Drehschieber selbst bzw. in einer zur Laufscheibe gegenüberliegenden Ausgleichsscheibe sind ebenfalls zum quader­ förmigen Steuerkolben stirnseitig gegenüberliegende weitere Arbeits- und Druckräume vorgesehen, die um 90° versetzt zu den in der Laufscheibe gebildeten Arbeitsräumen liegen.

Obgleich sich eine derartige Kapselpumpe bzw. ein derartiger Kapselmotor gegenüber den auch aus der US 16 22 816, den aus der US 18 67 198 oder auch aus der US 40 90 817 bekannten Kapselpumpen bzw. Kapselmotoren äußerst bewährt hat, so erfordert gleichwohl die Herstellung der gattungsgemäßen Kapselpumpe oder des gattungsgemäßen Kapselmotors im Bereich der vertikalen Kanten des quaderförmigen Steuerkolbens eine hohe Präzision, um im Zusammenspiel mit den kreuzförmig zueinander liegenden Gleitnuten bzw. Schlitzführungen im Bereich der Kanten des Steuerkolbens immer eine ausreichende Dichtigkeit zu gewährleisten.

Eine Hydraulikpumpe ist auch aus der EP 02 31 579 A1 bekannt geworden. Diese hydraulische Pumpe umfaßt eine Exzenterwelle, die von einem Elektromotor angetrieben wird. Das freie Ende der Exzenterwelle ragt bis in ein relativ kurz bemessenes Langloch, welches querliegend zu einem in einer rotierenden Laufscheibe in einer Radialbohrung sitzenden Kolben eingebracht ist. Die Rotationsverbindung zwischen Laufscheibe und elektrischem Antriebsmotor wird über einen in Radialrichtung versetzt zur Exzenterwelle versetzten und parallel zu dieser ausgerichteten Zapfen gewährleistet, der in einen Radialschlitz in der Laufscheibe eingreift.

Obgleich also die Exzenterwelle mit dem Elektromotor in Triebverbindung steht, erfolgt der Antrieb der Laufscheibe nicht direkt über das freie Ende der Exzenterwelle, sondern über den zusätzlich vorgesehenen, in einen Radialschlitz in der Laufscheibe eingreifenden Kopplungszapfen. Da dieser nur einseitig angeordnet ist, ergibt sich eine asymmetrische Kräfteverteilung, was nachteilig ist. Darüber hinaus ist der Bauraum bei dieser Anordnung größer, da auch die Laufscheibe derart groß bemessen sein muß, daß in dem Überdeckungsbereich zwischen Laufscheibe und einem darunter sitzenden Rotor Platz für die Unterbringung des Kopplungszapfens und der Radialnut vorhanden ist.

Entsprechende Pumpen sind auch aus der GB 20 14 648 A sowie aus der US 30 56 356 bekannt geworden. Diese vorbekannten Kapselpumpen weisen aber noch den Nachteil auf, daß die Unterbringung eines Exzenterzapfens stets stirnseitig gegenüberliegend zur eigenen Antriebswelle vorgesehen sein muß. Ein Antrieb über den Exzenterzapfen selbst ist nicht möglich. Der Exzenterzapfen greift in eine Quernut im mittleren Bereich des Kolbens mit seinem freien Ende ein, wobei bei der GB 20 14 648 A auf dem freien Ende des Exzenterzapfens noch ein frei drehbares rechteckförmiges Paßglied vorgesehen ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es von daher, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu überwinden und eine Kapselpumpe oder einen Kapselmotor zu schaffen, der bei Aufrechterhaltung der durch die gattungsgemäße Lösung bedingten Vorteile eine demgegenüber noch einfachere Herstellung erlaubt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen angegeben.

Es kann als durchaus überraschend bezeichnet werden, daß bei Aufrechterhaltung der Vorteile der gattungsgemäßen Kapselpumpe bzw. des gattungsgemäßen Kapselmotors gleichwohl noch eine weitere deutliche Verbesserung dahingehend möglich ist, daß nunmehr gleichwohl ein zylindrischer Arbeitskolben eingesetzt werden kann, der in einer ihn umgebenden Zylinderbohrung längs verschieblich verfahrbar ist. Die Herstellung derartiger Rundteile bzw. die Herstellung einer Zylinderbohrung kann mit vergleichs­ weise einfachsten technischen Mitteln mit höchster Präzision durchgeführt werden, vor allem verglichen mit der Herstellung von planparallelen Führungsnuten oder mit planparallelen Seiten­ wänden versehenen Schlitzbahnen, wie dies gemäß der DE 31 24 239 C2 notwendig ist.

Dabei gilt das erfindungsgemäße Prinzip sowohl bei einer 1-Kolben als auch einer 2-Kolben-Variante.

Der Kern der Erfindung liegt darin begründet, daß anstelle eines quaderförmigen Steuerkolbens nunmehr ein zylinderförmiger Kolben verwandt wird, der in einer entsprechenden Zylinderbohrung in der exzentrisch gelagerten Laufscheibe oder im Achskörper verschieblich geführt ist, und daß der zylindrische Arbeitskolben mit einem Kopplungsglied zusammenarbeitet, über welches die Triebverbindung zwischen einer nach draußen führenden Welle und dem Steuerkolben herge­ stellt wird. Diesem Kopplungsglied kommt im Zusammenhang mit dem zylindrischen Arbeitskolben die aus dem gattungsbildenden Stand der Technik bekannte Funktion des Steuerkolbens zu.

Auch eine Tandemausführung mit zwei in Axialrichtung der Kol­ benpumpe bzw. des Kolbenmotors versetzt und um 90° verdreht zueinander liegenden zylindrischen Arbeitskolben ist möglich. Der eine Arbeitskolben ist dabei in der Laufscheibe und der zweite Arbeitskolben in einer zylindrischen Bohrung im Wellenkörper verschieblich gelagert. Auch in diesem Falle werden wieder zwei gegenüberliegende Druckräume gebildet. Da also die Kolben als Doppelkolben wirksam sind, durchlaufen sie bei einer Umdrehung zweimal bei jeweils 180° ihren Saug- und zweimal bei 180° ihren Druckzyklus.

Natürlich wird bei der Tandemlösung mit zumindest zwei Kolben ein weitgehend gleichmäßigerer Förderstrom erzielt.

Insbesondere aber für untergeordnete Zwecke, wie beispielsweise im Einsatzfalle als Dosierpumpen usw., ist eine Ausführungsform mit der eingangs genannten 1-Kolben-Version zweckmäßig, die eine äußerst einfache Bauweise erlaubt, bei der aber gleichwohl die entscheidenden Vorteile des Motors bzw. der Pumpe erhalten bleiben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen im einzelnen:

Fig. 1 eine schematische axiale Vertikalschnittdarstel­ lung durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer 1-Kolben-Pumpe bzw. eines entsprechenden Mo­ tors;

Fig. 2 eine Querschnittsdarstellung längs der Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 eine auszugsweise perspektivische Darstellung des zylindrischen Arbeitskolbens mit einem ent­ sprechenden Kopplungsglied als Alternative zu der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2;

Fig. 4 eine axiale vertikale Schnittdarstellung durch ein zweites Ausführungsbeispiel mit zwei Arbeits­ kolben;

Fig. 5 eine Schnittdarstellung längs der Linie V-V in Fig. 4;

Fig. 6 eine axiale Vertikalschnittdarstellung, jedoch um 90° versetzt zu der Schnittdarstellung gemäß Fig. 4;

Fig. 7 eine auszugsweise perspektivische Darstellung des Kopplungsgliedes.

Die in den Zeichnungen veranschaulichte Kapselpumpe umfaßt ein Gehäuse 1. An der einen Stirnseite ragt eine Welle 17 durch das Gehäuse 1 in den Gehäuseinnenraum, in dem die Welle 17 in einen demgegenüber mit größerem Durchmesser versehenen Achskörper 4 übergeht, der mit seiner zylindrischen Außenfläche in einer entsprechenden zylindrischen Innenfläche axial symmetrisch zum Gehäuse 1 gelagert ist.

An der zur Welle 17 gegenüberliegenden Stirnseite des Achskörpers 4 ist eine in Form einer Gleitnut ausgebildete Führung 8 eingear­ beitet, in welcher ein im axialen Querschnitt ein quadratisches Kopplungsglied 9a verschiebbar sitzt.

An den Achskörper 4 schließt sich eine Laufscheibe 11 an, in welcher durch den Mittelpunkt der Laufscheibe 11 hindurchführend eine radiale Zylinderbohrung 12 angebracht ist, in der ein zylin­ drischer Arbeitskolben 9b verschiebbar gelagert ist.

Durch den zylindrischen Arbeitskolben werden stirnseitig gegen­ überliegend zwei vom Fluid durchströmte Arbeits- und Druckräume gebildet, die im gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 und 2 mit einer im Außenumfang der Laufscheibe 11 gegenüberliegend eingebrachten Kanalnuten 7′ und 8′ in Verbindung stehen. Die Länge der Kanalnuten 7′ und 8′ beträgt weniger als der halbe Außenumfang, so daß beide Kanalnuten 7′ und 8′ durch einen je­ weils zwischen den Enden zwischen den beiden Kanalnuten 7′ und 8′ verbleibenden Ansatz 11′ an der Laufscheibe 11 getrennt sind. Die Breite des Ansatzes 11′ entspricht der Breite der radial gegenüberliegenden Einlaß- und Auslaßkanäle 2 und 3.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel umgreift das Kopplungsglied 9a den zylindrischen Arbeitskolben 9b, beispielsweise durch einen nicht näher dargestellten Feder-Nut-Eingriff zwischen den Berüh­ rungsflächen zwischen dem Kopplungsglied 9a und dem Arbeitskol­ ben 9b in dessem mittleren Bereich.

Die Funktion dieser 1-Kolben-Ausführung entspricht vom Prinzip her der Funktion entsprechend der DE 31 34 239 C2 erläuterten Kapselpumpe. Bei Rotation der Welle 17 wird durch die exzentri­ sche Lagerung der Laufscheibe 11, die sich in einer entsprechen­ den Zylinderbohrung im Gehäuse 1 abstützt, das Kopplungsglied 9a in der nutförmigen Führung 8 zyklisch längs der Führung im Sinne einer Ausgleichsbewegung hin und her bewegen, wobei während einer vollständigen Umdrehung darüber auch der zylin­ drische Arbeitskolben 9b in der Zylinderbohrung 12 hin und her bewegt wird, so daß während einer vollständigen Umdrehung die beiden stirnseitig zum Arbeitskolben 9b liegenden Arbeitsräume sich abwechselnd in der Druck- und dann in der Ansaugphase befinden. Bei der Darstellung gemäß Fig. 2 wird bei einer Drehung der Laufscheibe 11 im Uhrzeigersinn der zylindrische Arbeitkolben 9b zunehmend mehr in der sich mitdrehenden Zylinderbohrung 12 nach rechts verstellen, so daß über den in Fig. 2 dargestellten rechts liegenden Druckraum bei nunmehr sich öffnender Verbindung zwischen der Kanalnut 8′ und dem Auslaßkanal 3 unter Druck stehendes Medium abgegeben und über den Einlaßkanal 2 und der damit in Verbindung stehenden Kanalnut 7′ Fluid angesaugt wird. Nach einer Drehung um 180° wiederholt sich der Vorgang.

Um eine axiale Verstellung der Zylinderbohrung 12 zu ermögli­ chen, ist in der Laufscheibe 11 benachbart zum Achskörper 4 noch eine parallel und oberhalb der Zylinderbohrung 12 liegende nut­ förmige Führung 12′ vorgesehen, durch die das Kopplungsglied 9a hindurchragt. Die Breite der Führungsnut 12′ kann der Breite des Kopplungsgliedes 9a entsprechen, sie kann aber auch größer sein, da die Führung des Kopplungsgliedes 9a in dieser Richtung durch den in der Zylinderbohrung 12 im Paßsitz sitzenden Arbeitskolben 9b gegeben ist. Die Länge der Führung 12′ ist allerdings so be­ grenzt, daß der Arbeitskolben 9b in seinen beiden Extremstellung­ en mit seinem Stirnseitenbereich den angrenzenden mit Fluid befüllten Arbeits- und Druckraum von dem Raum der Führung 12′ abdichtet.

Anhand von Fig. 3 wird nur auszugsweise schematisch erläutert, daß das Kopplungsglied 9a sowie die Führung 12′ auch völlig anders ausgebildet sein kann.

In diesem Ausführungsbeispiel sind an dem zylindrischen Arbeits­ kolben 9b im mittleren Bereich seitlich wegstehende Stutzen gezeigt, die dem Kopplungsglied 9a entsprechen und die in einer anhand der Fig. 1 und 2 gezeigten Führung 8 im Achskörper 4 verschiebbar sitzen.

Die Führung 8 ist hier im Achskörper 4 als halbzylinderförmige Bohrung ausgebildet und umgreift beidseitig des Arbeitskolbens 9b die dort senkrecht wegstehenden Stutzen, die in der Führung 8 längsverschieblich angeordnet sind. Um eine geringe Axialhöhe der gesamten Kapselpumpe zu erzielen, sind die das Kopplungs­ glied 9a darstellenden beiden gegenüberliegenden Führungsstutzen nicht in einer zum Arbeitskolben 9b zum Achskörper 4 hin versetzt liegenden Ebene, sondern in der Ebene des Arbeitskolbens 9b selbst angeordnet. Um dann aber eine Relativbewegung zwischen dem Arbeitskolben 9b mit den senkrechten Stutzen 9a in der Führung 8 des Achskörpers 4 zu ermöglichen, ist im Achskörper 4 eine verlängerte den Arbeitskolben 9b etwa mit halber Höhe umgreifende Ausnehmung 9c eingebracht. Die Länge dieser Ausnehmung ist auf die maximale Relativbewegung zwischen Arbeitskolben 9b und Achskörper 4 in Richtung der Führung 8 bei einer Umdrehung um 360° abgestimmt.

Nachfolgend wird auf das Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 4 bis 7 eingegangen.

In dieser Ausführungsform ist nunmehr ergänzend zu dem in der Laufscheibe 11 vorgesehenen ersten Arbeitskolben 9b ein weiterer um 90° versetzt liegender Arbeitskolben 9d in einer weiteren dort eingebrachten durch die Zentralachse des Achskörpers 4 hindurch­ gehenden Zylinderbohrung 15 montiert vorgesehen.

Das Kopplungsglied 9a ist auch hier wieder im Querschnitt quaderförmig und ist in der Führung 8 im Achskörper 4 und in einer senkrecht dazu ausgerichteten Führung 12′ in der Lauf­ scheibe 11 in ausreichendem Verstellmaß verschieblich gelagert, obgleich auch hier als Führungselemente nicht die Führung 8 bzw. 12′, sondern der jeweils in der zugehörigen Zylinderbohrung 12 oder 15 verschieblich gelagerte Arbeitskolben 9b bzw. 9d aus­ reichend wäre.

Beide Arbeitskolben 9b und 9d sind über das Kopplungsglied 9a fest miteinander verbunden.

Eine feste Korrelation ist beispielsweise durch eine an jedem Arbeitskolben 9b wie 9d im mittleren Bereich beispielsweise auf halber Umfangsfläche eingebrachte Ringnut 41 möglich, in die ein entsprechender in einer halbzylinderförmigen Ausnehmung zur Auf­ nehmung des jeweiligen Arbeitskolbens 9b bzw. 9d im Kopplungs­ glied 9a ausgebildeter beispielsweise halbkreisförmige Feder oder Steg 43 eingreift.

Darüber hinaus sind bei diesem Ausführungsbeispiel die beiden in der Laufscheibe 11 gegenüberliegend zum Arbeitskolben 9b vorge­ sehenen Druckräume über zwei axial aber diametral gegenüberlie­ gende zur Axialachse der Pumpe in der Laufscheibe 11 einge­ brachten Steuerschlitzpaaren 5 in Verbindung, die am Gehäuse­ boden 1′ mit dort nierenförmig, fast den halben Umfangskreis ausmachenden bogenförmigen Kanalnuten 7′ und 8′ in Verbindung stehen, deren Funktionsweise identisch ist zu der der Kanalnuten 7′ gemäß dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 3.

Die beiden weiteren im Achskörper 4 durch den dort untergebrach­ ten Arbeitskolben 9d getrennten Druck- und Arbeitsräume sind durch zwei weitere in dem Achskörper 4 gekröpft verlaufende Steuerschlitzkanäle 7 bei entsprechender Stellung des Achskörpers 4 mit den fast halbkreisförmigen Kanalnuten 7′ bzw. 8′ verbun­ den, und zwar je nach Stellung des Achskörpers relativ zum feststehenden Gehäuseboden 1′. Wie aus Fig. 6 hervorgeht, liegen die den fast halbkreisförmigen Kanalnuten 7′ und 8′ zu laufenden Einlaß- und Auslaß-Steuerschlitzpaare 5 winklig versetzt, im gezeigten Ausführungsbeispiel um 90° versetzt zu den Einlaß- bzw. Auslaßsteuerschlitzkanälen 7.

In Fig. 7 ist in ausschnittsweise perspektivischer Darstellung 35 das Kopplungsglied 9a schematisch gezeigt.

Die Einlaß- und Auslaßkanäle 2 und 3 liegen quer zum ex­ zentrischen Versatz der Laufscheibe gegenüber der Achse des Wellenkörpers, damit bei Nullförderung beim Übergang vom Hub im einen Druckraum zum Hub im gegenüberliegenden Druckraum des gleichen Doppelzylinders die Einlaß- und Auslaßkanäle verschlossen sind.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 verdeutlicht auch, daß in Abweichung zur Fig. 1 und 2 auch bei einer Ausführung mit nur einem Arbeitskolben dieser beispielsweise nicht in der Laufscheibe 11, sondern im Achskörper 4 verschieblich gelagert sein kann.

Claims (9)

1. Kapselpumpe oder -motor für Fluide, insbesondere Hydraulik­ flüssigkeit, mit einem Gehäuse, einem im Gehäuse gelagerten Achskörper, einer darin vorgesehenen und durch die Zentralachse verlaufenden Führung, in der ein Steuerkolben radial verschiebbar sitzt, und mit einer in dem Gehäuse mit einer zylindrischen Innenfläche gegenüber dem Achskörper exzentrisch gelagerten Laufscheibe, in der eine zur ersten Führung winkelig verlaufende zweite Führung vorgesehen ist und der Steuerkolben in beiden Führungen längsverschieblich gelagert ist, mit im Gehäuse gebildeten Druckräumen, die über je eine Kanalnut mit einem Einlaß- und Auslaßkanal gesteuert in Verbindung stehen, und mit einer Antriebsverbindung zwischen der Laufscheibe und dem Achskörper über den Steuerkolben, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkolben aus zumindest einem zylindrischen Arbeitskolben (9b), der in einer radialen Zylinderbohrung (12) in der Laufscheibe (11) oder im Achskörper (4) verschiebbar gelagert ist, besteht und ein Kopplungselement (9a) umfaßt, welches an der der ersten Führung (8) gegenüber dem Achskörper (4) radial verschiebbar abgestützt ist und welches die Rotations-Triebverbindung zwischen dem Achskörper (4) und dem zylindrischen Arbeitskolben (9b, 9d) herstellt.

2. Kapselpumpe oder -motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Arbeitskolben (9b, 9d) und das Kopp­ lungsglied (9a) aus zwei getrennten aber zueinander relativ unverschiebbaren Teilen besteht.

3. Kapselpumpe oder -motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopplungsglied (9a) quaderförmig gestaltet ist.

4. Kapselpumpe oder -motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopplungsglied (9a) aus zumindest einem, vorzugsweise zwei eher im mittleren Bereich des zylindrischen Arbeitskolbens (9b) seitlich wegstehenden Stutzen besteht, die in die entsprechend gestaltete Führung (6) im Achskörper (4) radial verschieblich eingreifen.

5. Kapselpumpe oder -motor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Achskörper (4) eine weitere quer zur Führung (8) verlaufende Ausnehmung (9c) vorgesehen ist, mit welcher der Achskörper (4) den zylinderförmigen Arbeitskolben (9b) zumindest in einer Teilhöhe derart umgreift, daß der Arbeitskolben (9b) quer zur Führung (8) im Achskörper (4) radial verschieblich ist.

6. Kapselpumpe oder -motor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Führung (8) und die Ausnehmung (9c) rechtwinklig zueinander und gegenüber liegend zur Welle (17) halboffen gestaltet sind.

7. Kapselpumpe oder -motor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit jeweils zwei Paaren von zum Steuerkolben gegenüberliegenden Druckkammern, die in axialer Draufsicht winklig zueinander liegen, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein weiterer zylindrischer Arbeitskolben (9d) vorgesehen ist, der in einer zum ersten Arbeitskolben (9b) parallel liegenden Ebene im Achskörper (4) angeordnet und in einer dort eingebrachten zweiten Zylinderbohrung (15) radial verschieblich ist, und daß die beiden in axialer Draufsicht winklig übereinander liegenden zylindrischen Arbeitskolben (9b, 9d) über das Kopplungsglied (9a) in fester Rotationsverbindung stehen.

8. Kapselpumpe oder -motor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopplungsglied (9a) an den in Axialrichtung gegenüberliegenden Stirnseiten jeweils eine zumindest ansatzweise halbzylinderförmige Ausnehmung zur Aufnahme und Triebverbindung des jeweils zugeordneten zylindrischen Arbeitskolbens (9b, 9d) aufweisen.

9. Kapselpumpe oder -motor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden zylindrischen Arbeitskolben (9b, 9d) am Kopplungsglied (9a) in Axialrichtung des jeweiligen Arbeitskolbens (9b, 9d) axial unverschieblich verankert sind, wozu jeweils ein Nut-Feder-Eingriff (41, 43) zwischen dem Arbeitskolben (9b, 9d) und dem Kopplungsglied (9a) eingebracht ist.