DE3139561A1

DE3139561A1 - Radialkolbenmaschine, insbesondere kugelkolbenpumpe

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Publication number: DE3139561A1
Application number: DE19813139561
Authority: DE
Inventors: Ludwig 6000 Frankfurt Budecker; Jochen Dipl.-Ing. 6050 Offenbach-Rumpenheim Burgdorf
Original assignee: Alfred Teves GmbH
Current assignee: ITT Automotive Europe GmbH
Priority date: 1981-10-05
Filing date: 1981-10-05
Publication date: 1983-04-21
Also published as: IT1152877B; JPH0359273B2; GB2107408B; US4505652A; FR2514079B1; IT8223598A0; DE3139561C2; FR2514079A1; GB2107408A; JPS5867977A

Description

ALFRED TEVES GMBH ~ γ _ 22. September Ί981

Frankfurt am Main ZL/Br/be

P 5126

J. Burgdorf - 87 L. Budecker - 53

Radialkolbenmaschine, insbesondere Kugelkolbenpumpe

Die Erfindung betrifft eine Radialkolbenmaschine, insbesondere eine Kugelkolbenpumpe, 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, nach dem Patent (Anmeldung P 31 21 531.9).

Eine Kugelkolbenmaschine der vorgenannten Bauart ist aus der DE-OS 29 08 o96 bekannt. Die in einem Paßsitz zur Rotorradialbohrung stehende verschiebliche zylindrische Hülse mit innerem Axialdurchgang zur Kugel bewirkt eine Flächenabdichtung zwischen Rotor und. Hülse und übergreift die Kugel in einer Weise, daß zwischen dieser und der Hülse ebenfalls eine Flächenabdichtung gebildet ist. Die Anordnung ist so getroffen, daß nach einem Zusammenbau die Kugel fest mit der Hülse verbunden und demzufolge ein eventueller Austausch nur der Gesamteinheit möglich ist.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Kugelkolbenmaschine einfachen Aufbaus mit gutem Wirkungsgrad.

Gelöst wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch, daß die Kugel mit ihrer Mantelfläche unmittelbar in der Radialbohrung gleitend geführt ist. Die Kugel ist vorteilhaft als standardisiertes Bauteil mit hoher Fertigungsgenauigkeit erhältlich. Durch die paßgenau in der Bohrung sitzende Kugel erreicht man eine gute

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Spaltabdichtung; die Dichtwirkung der Kugel ergänzt die Dichtwirkung des Kolbenelements, so daß man einen guten volumetrischen Wirkungsgrad erhält. Durch die Verwendung der Kugel ergibt sich in vorteilhafter Weise ein kleiner Reibungseinfluß durch viskose Reibung. Kugel und Kolbenelement sind lose zueinander angeordnet und deshalb separat austauschbar.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß als Kolbenelement eine zweite Kugel vorgesehen ist ο Neben geringem Reibungseinfluß durch viskose Reibung erreicht man eine gute Dichtwirkung durch Vorhandensein von zwei Kugeln.

Vorteilhaft ist zwischen den Kugeln ein Zwischenelement angeordnet, mit dem beide Kugeln in Wirkverbindung stehen» Durch Formgebung und Materialauswahl des Zwischenelements läßt sich das Betriebsverhalten günstig beeinflussen»

Das Zwischenelement ist vorteilhaft als Hülse ausgebildet, deren den Kugeln zugewandte Enden gleich ausgebildet sind;dadurch wird die Hülse gleichmäßiger beansprucht» Die Fertigung der Hülse ist durch die gleich ausgebildeten Endbereiche vereinfacht.

Besonders vorteilhaft läßt sich die Hülse aus zwei gleichen Einzelelementen zusammensetzen, so daß ein Hülsen-Einzelelement als Zwischenelement auch bei nicht als Kugel ausgebildetem,zylindrischen Kolbenelement Verwendung finden kann.

In einer vorteilhaften Weiterbildung sind die an den Kugeln anliegenden Flächen der Hülse geneigt. Dadurch kann man auf einfachste Weise die Verteilung der an der Kugelkolbenanordnung angreifenden Kräfte beeinflussen.

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Besonders vorteilhaft ist die an der Kugel anliegende Fläche der Hülse eine Gleitfläche aus einem Material mit einem geringen Reibwert. Die Hülse kann z.B. vollständig aus diesem Material gefertigt sein. Auf einfachste Weise wird so das Abrollen der radial äußeren Kugel auf dem Hubring sichergestellt, sofern das antreibende Moment (Reibung am Hubring) größer als das Bremsmoment (Reibung der Kugel an der Rotorbohrung und an der kegeligen Mantelfläche der Hülse) ist. Die radial innere Kugel kann aufgrund der geringen Reibung etwa notwendige Ausgleichsbewegungen leicht ausführen .

Eine besonders günstige Anordnung ergibt sich, wenn die Gleitfläche durch einen ringförmigen Gleitkörper gebildet wird, der in das Ende der Hülse integriert eingesetzt ist.

Zweckmäßigerweise ist der Gleitkörper bzw. die Hülse aus einem geräuschdämmenden Material gebildet.

Eine einfache Fertigung bei guter Funktion einer Kugelkolbenmaschine ergibt sich, wenn der Querschnitt des Gleitkörpers ein rechtwinkliges Dreieck ist, dessen Hypotenuse mit der Kugel in Eingriff steht. Die beiden Schenkel des rechtwinkligen Dreiecks können gleich lang ausgebildet sein.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, die Hülse aus einem Material mit einem thermischen Ausdehnungs-Koeffizienten auszubilden, der größer ist als der des die Hülse umschließenden Rotormaterials. Bei entsprechender Paßgenauigkeit mit Ausdehnungsmöglichkeit der Hülse wird bei hoher Betriebstemparatur und entsprechend geringer Viskosität des Betriebsmediums größere Dichtheit in der Flächenabdichtung zwischen Hülse und Rotor sichergestellt und der Wirkungsgrad vergrößert.

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Bei einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist der zylindrische Außenmantel der Hülse über die gesamte Axiallänge der Hülse vorgesehen. Damit wird die Flächenoder Spaltabdichtung zwischen Hülse und Rotor weiter gesteigert.

Die Flächenabdichtung zwischen Hülse und Rotor wird verbessert, wenn der Außendurchmesser der Hülse im wesentlichen gleich dem Kugeldurchmesser ist.

Durch die Anordnung des mittigen Axialdurchgangs und der Radialbohrung herrscht im Hülseninnenraum zwischen den Kugeln der Arbeitsdruck, der zwischen innerer und äußerer Kugel vorhanden ist.

Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, daß die Kugeln gleichen Durchmesser haben. Da die Kugeln paßgenau in der Radialbohrung sitzen, stellt sich an jeder Kugel ein im wesentlichen gleicher Druckverlust ein, so daß jede Kugel nur mit dem halben Arbeitsdruck belastet ist» Der. Kugelkolben ist durch Verwendung von zwei standardisierten Kugeln einfach und preisgünstig aufgebaut. Zum Austausch braucht nur ein Bauteil, die Kugel, auf Lager gehalten zu werden.

Dadurch, daß die das Kolbenelement bildende Kugel mit kleinerem Spiel in der Rotorbohrung angeordnet ist als die radial äußere Kugel ergibt sich an der radial inneren Kugel ein größerer Druckabfall und damit eine größere Dichtwirkung im Vergleich zur äußeren Kugel. Dadurch wird erreicht, daß die radial innere Kugel im wesentlichen die Abdichtung bewirkt und die radial äußere Kugel durch das größere Spiel mit geringerer Reibung an der Rotorbohrung abrollt.

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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt einer Kugelkolbenpumpe,

1ö Fig. 2 einen Schnitt durch die Pumpe nach Fig.

im Bereich der Achse des Kugelkolbens,

Fig. 3 eine Einzelheit der Pumpe nach den Fig.

1 und 2 in einem größeren Maßstab und -c schematisch dargestellt.

Die Kugelkolbenpumpe nach den Fig. 1 und 2 umfaßt ein auf der einen Stirnseite geschlossenes topfartiges Gehäuse 18 mit einem Sauganschluß 16 und einem Druckan-Schluß 17 auf dem Gehäuseumfang.

Im Innern des Gehäuses 18 befindet sich eine Rotor-Stator-Einheit, die über elastische abdichtende Stützkörper 5 in Form von O-Ringen am Gehäuse abgestützt ist, um einen geräuscharmen Betrieb der Pumpe zu ermöglichen. Die Rotor-Stator-Einheit wird neben den elastischen Stüt2körpern 5 in einer drehfesten Lage bezüglich des Gehäuses 18 durch ein Einsatzstück 15 gehalten, das im Druckanschluß zwischen Gehäuse 18 und Stator 4 eingesetzt ist. Zwischen Einsatzstück 15 und Stator 4 findet dadurch, daß zwischengeordnet weitere elastische Stützkörper mit Abdichtwirkung vorhanden sind, keine metallische Berührung statt.

Die Rotor-Stator-Einheit besteht im wesentlichen aus einem äußeren Stator 4 und einem inneren Rotor 1, der drehbar auf dem einen (gemäß Fig. 1 rechten) Ende eines zentralen Steuerzapfens 8 sitzt, welcher in einer Innenbohrung des Stators 4 aufgenommen ist und einen Zuflußkanal 12 sowie ein Abflußkanal 13 zum bzw. vom Rotorinneren besitzt.

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Der Rotor 1 ist mit seiner einen Stirnwand über eine axial- und drehelastische Federkupplung 2 mit dem einen Ende einer Anschlußwelle 22 eines Elektromotors 19 verbunden, wobei die Anschlußwelle in koaxialer Verlängerung des Rotors 1 liegt.

Im Inneren des Rotors 1 ist eine durchgehende Radialbohrung ausgebildet, in der diametral entgegengesetzte, radialverschiebliche Kugelkolben 11 angeordnet sind, deren äußere Kugeln 9 an einem exzentrischen Hubring 1o abrollen, der am äußeren Stator 4 axial..yerschiebbar^gelagert ist.

Im Betrieb der Kugelkolbenpumpe wird Hydraulikmedium bei einer Drehung des Rotors 1 durch den Sauganschluß 16 auf der Saugseite 7 der Pumpe angesaugt, längs des Umfangsraums 21 der Fig. 2 verdichtet und auf der Druckseite 6 der Pumpe über eine Längsbohrung 23 des Stators 4, eine Kammer 24, den Zuflußkanal 12 dem Saugraum 25 auf der radial inneren Seite des Kugel-kolbens 11 zugeführt und nach einer weiteren Halbdrehung des Rotors 1 über den Druckraum 26, den Abflußkanal 13 des Steuerzapfens 8 und den Druckanschluß der Pumpe abgeleitet. Hierbei werden die Kugelkolben 11 durch Fliehkraft und den Arbeitsdruck nach außen an den Hubring 1o gedrängt. Im Betrieb der Anordnung wird der Rotor in Axialrichtung durch den erzeugten Pumpendruck in der Kammer 6,6a gegen die Federkupplung 2 der Anschlußwelle 22 gedrängt, wobei die Einheit in einer axialzentrierten berührungsfreie Lage zum Gehäuse gehalten wird.

In der Radialbohrung des Rotors 1 ist ein Kugelkolben 11 angeordnet, der im größeren Maßstab in Fig. 3 schematisch gezeigt ist.

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Der Kugelkolben 11 besteht aus einer äußeren Kugel 9 und einer ' axialsymmetrischen Hülse 3 mit einem zentralen Axialdurchgang 14 sowie einer inneren Kugel 4o. Die Kugeln 9, 4o haben gleichen Durchmesser. Die Hülse 3 ist als Drehteil ausgebildet und weist einen zylindrischen Außenmantel· auf, der sich nahezu über die gesamte Axiallänge der Hülse erstreckt. Der zentral·e axiale Durchgang 14 ist über eine Radialbohrung 41 mit dem Äußenumfang verbunden. Die stirnseitigen Enden der Hülse 3 besitzen Aussparungen.

Im ausgesparten Bereich der stirnseitigen Enden der Hülse 3 sind integriert Gleitkörper 3o eingesetzt.Jeder Gleitkörper 3o hat die Form eines Ringes, dessen Querschnittsfläche ein rechtwinkliges gleichschenkliges Dreieck ist. Der Gleitkörper 3o ist im Bereich seiner Katheten abdichtend mit der Hülse 3 verbunden und besteht aus einem geräuschdämmenden Material mit einem geringen Reibwert, z.B. Polytetrafluoräthylen.

Im zusammengebauten Zustand der Anordnung berühren die Gleitkörper 3o die Kugeln 9,4o im wesentlichen längs eines Teilkreises mit dem Durchmesser D₄, und zwar auf der Hypotenusenseite des Gleitkörpers 3o.

Der Außendurchmesser D₃ der zylindrischen Hülse 3 läßt sich mit geringer Toleranz auf einfache Weise fertigen. Der Außendurchmesser D-. ist so gewählt, daß in jedem Betriebsfall eine Axialverschiebung der Hülse 3 in der Rotorbohrung mit dem Innendurchmesser D₁ möglich ist.

Der Durchmesser D₂ der beiden Kugeln 9,4o entspricht gemäß Ausführungsbeispiel im wesentlichen dem Außendurchmesser D, der Hülse. Da die Kugeln 9,4o sich über ihren Großteil im Innern der

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Rotorbohrung befinden, werden Abdichtungen zwischen Rotor 1 und Kugeln 9,4o längs eines Großkreises jeder Kugel 9, 4o geschaffen. Im Betrieb der Kugelkolbenpumpe steht der Druckraum 25 unter Hydraulikdruck, der die Kugel 4o, die Hülse 3 und die Kugel 9 radial nach außen gegen den äußeren Hubring 1o drängt. Da die Kugeln 9,4o paßgenau in der Rotorbohrung sitzen, stellt sich an jeder Kugel ein im wesentlichen gleicher Druckverlust ein? so daß jede Kugel nur mit dem halben Arbeitsdruck belastet ist» über einer Drehung des Rotors 1 unterstützt die Fliehkraft der Kugel 4o die Dichtkraft zwischen Gleitkörper 3o und Kugeln 9,4o. Hierbei rollte die äußere Kugel 9 auf dem Hubring 1o ab, während sie in einem Gleiteingriff zum Gleitkörper 3o steht. Die Reibungsverluste sind gering, da der Gleitkörper 3o aus einem reibungsarmen Material besteht»

Gegenüber einer Kugelkolbenpumpe, bei der der Kolben aus nur einer einzigen Kugel besteht (DE-PS 87 32 o7),erreicht man mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung bei hohen Drücken und/oder geringen Viskositäten des Betriebsmediums durch eine größere Überdeckungslänge eine bessere Abdichtung und damit eine Verbesserung des volumetrischen Wirkungsgrads und eine Erhöhung der Fördermenge; auch wird die äußere Kugel infolge der größeren Fliehkraft der Gesamtanordnung stärker gegen den Hubring gedrückt, wodurch das Abrollen der Kugel am Hubring sicherer wird.

Claims

ALFRED TEVES GMBH 22. September 1981

Frankfurt am Main ZL/Br/be

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J. Burgdorf - 87 L. Budecker - 53

Patentansprüche

■fiJ Radialkolbenmaschine, insbesondere Kugelkolbenpumpe, Ίο ^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 ,,nach Patent ... (Anmeldung P 31 21 531.9), dadurch g e kennzeichnet, daß die Kugel (9) mit ihrer Mantelfläche unmittelbar in der Radialbohrung gleitend geführt ist.
2. Radialkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kolbenelement jsine zweite Kugel (4o) ist.
3. Radialkolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch g e -

kennzeichnet, daß zwischen den Kugeln (9,4o) ein Zwischenelement (3) angeordnet ist, mit dem beide Kugeln (9,4o) in Wirkverbindung stehen.
4. Radialkolbenmaschine nach einem oder mehreren der vor- : hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenelement eine Hülse (3) ist, deren den Kugeln (9,4o) zugewandte Enden gleich ausgebildet sind.
5. Radialkolbenmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichn e t, daß die Hülse (3) zweiteilig ist.
6. Radialkolbenmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Kugeln (9,4o) anliegenden Flächen der Hülse (3) in bezug auf die Achse der Hülse (3) geneigt sind.
7. Radialkolbenmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Kugel (9,4o) anliegende Fläche der Hülse (3) eine Gleitfläche aus einem Material mit einem geringen Reibwert ist.
8. Radialkolbenmaschine nach Anspruch 7, dadurch g e kennz eichnet, daß die Gleitfläche durch einen ringförmigen Gleitkörper , (3o). gebildet ist,der in das Ende der Hülse (3) integriert.eingesetzt ist.
9. Radialkolbenmschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleitkörper (3o) bzw. die Hülse. (3) aus geräuschdämmendem Material gebildet sind.
10. Radialkolbenmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Gleitkörpers (3o) ein rechtwinkliges Dreieck bildet, dessen Hypotenuse mit der Kugel (9,4o) in Eingriff steht.
11. Radialkolbenmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (3) aus einem Material mit einem thermischen Ausdehnungs-Koeffizienten besteht, der größer ist als der des die Hülse (3) umschließenden Rotors (1) .

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12. Radialkolbenmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Außenmantel der Hülse (3) über die gesamte Axiallänge der Hülse (3) ausgebildet ist.
13. Radialkolbenmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser (D₃) der Hülse (3) im wesentlichen dem Kugeldurchmesser (D₂) entspricht.
14. Radialkolbenmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die axialsymmetrische Hülse (3) einen mittigen Axialdurchgang (14) aufweist.
15. Radialkolbenmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (3) eine durchgehende, mit dem Axialdurchgang (14) in Verbindung stehende Radialbohrung (41) aufweist.
16. Radialkolbenmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugeln (9,4o) gleichen Durchmesser aufweisen.
17. Radialkolbenmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,-daß die das Kolbenelement bildende Kugel (4o) mit kleinerem Spiel in der Rotorbohrung angeordnet ist als die radial äußere Kugel (9).