DE3724967A1 - Axial- oder radialkolbenmaschine mit einer einen ventilring aufweisenden steuerventilanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine Radialkolbenmaschine dieser Art ist als Pumpe in der DE-OS 36 23 797 beschrieben und dargestellt. Bei der bekannten Ausgestaltung besteht der Ventilring aus einem elastisch dehnbaren Material, aufgrund dessen er wenigstens partial von den die Ventilöffnungen bildenden Durchsatzkanalmündungen abzuheben vermag, um den Durchgang des Auslaßventils freizugeben.

Diese bekannte Ausgestaltung eignet sich wegen erheb­ lichen Beanspruchungen des Ventilringes nicht dazu, für den Hochdruck eingesetzt zu werden. In diesem Einsatz­ fall besteht die Gefahr, daß der dehnbare Ventilring in seiner Schließposition unter der Wirkung des Hochdrucks beschädigt oder zumindest über seine Elastizität hinaus gedehnt wird, wodurch die Funktion des Ventilrings insbesondere im Dauerbetrieb sehr beeinträchtigt wird. Bei nicht ausreichender Materialfestigkeit, die sich angesichts der erforderlichen Dehnung kaum realisieren läßt, ist sogar mit einer Durchdrückung des Ventilrings im Bereich der zu verschließenden Durchsatzkanalöffnungen durch den Hochdruck zu rechnen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kolbenma­ schine der eingangs bezeichneten Art so auszugestalten, daß sie sich auch für den Hochdruck eignet.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung besteht der Ventilring aus einem nicht dehnbaren Material, das geeignet ist, auch für Hochdruck problemlos verwendet zu werden. Er vermag somit aufgrund seiner Zugfestigkeit im Bereich der abzudichtenden Ventilöffnungen auch sehr hohen Drücken zu widerstehen, ohne daß die Gefahr besteht, in die Ventilöffnungen eingedrückt oder vom Hochdruck durchstoßen zu werden. Im Gegensatz zur bekannten Ausgestaltung funktioniert der erfindungsgemäße Ventilring nicht aufgrund von Dehnung, sondern aufgrund von radialer Verlagerung insgesamt, durch die aufgrund des Bewegungs­ spiels zwischen der Ringfläche und der mit dieser zusammen­ wirkenden Umfangsfläche des Ventilrings sich die jeweils notwendigen Öffnungsquerschnitte ergeben. Dabei erfolgt die Verstellung des Ventilrings automatisch aufgrund des Strömungsdruckes, sowohl des abströmenden als auch des zufließenden Fluids. Aufgrund seiner Biegsamkeit vermag der Ventilring sich über den Umfangsabschnitt, der die zu schließenden Ventilöffnungen aufweist, anzu­ legen. Bei einer üblichen Axialkolbenmaschine beträgt dieser Umfangsabschnitt in etwa 180°. Dabei hebt der andere Umfangsabschnitt des Ventilringes von der Ringfläche ab, wodurch der erforderliche Strömungskanalquerschnitt geschaffen wird. Im Betrieb sind die Öffnungs- und Schließfunktionen des Ventilrings kontinuierlich, wobei er sich in Umfangsrichtung fortlaufend an der Ringfläche anlegt und wieder abhebt.

Die Erfindung geht von der Tatsache aus, daß bei einer vorliegenden Kolbenmaschine im Betrieb ein Teil der Ventilöffnungen offen ist, während der andere Teil der Ventilöffnungen geschlossen ist. Dabei nutzt die Erfindung die Erkenntnis aus, daß ein nicht dehnbarer Ventilring alle Ventilfunktionen gleichzeitig zu erfüllen vermag, wobei aufgrund der Biegsamkeit eine Abdichtung auf einem Umfangsabschnitt von etwa 180° erreicht wird. Einer Fixierung des Ventilrings in Umfangsrichtung bedarf es nicht.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung beschrieben. Durch die Ausgestaltung nach Anspruch 2 läßt sich die Abhebefunktion des Ventil­ rings verbessern. Als Werkstoff für den Ventilring eignet sich sowohl Metall als auch Kunststoff. Die in den Ansprüchen 4 bis 9 enthaltenen Merkmale sind aus baulichen Gründen von Vorteil, wobei sie eine einfache, funktionstüchtige und leistungsstarke Kolbenmaschine ergeben.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in einer Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine erfindungsgemäß ausgestaltete Axialkolben­ pumpe im axialen Schnitt;

Fig. 2 den Schnitt II-II in Fig. 1.

Die wesentlichen Einzelteile der in Fig. 1 allgemein mit 1 bezeichneten Axialkolbenpumpe sind ein aus einem topfförmigen Gehäuseteil 2 und einem Gehäusedeckel 3 bestehendes Gehäuse 4, eine das topfförmige Gehäuseteil 2 bzw. den Hohlraum 5 des Gehäuses 4 längs der Mittelachse 6 durchsetzende Antriebswelle 7, eine Mehrzahl, im vorliegenden Fall sieben, auf einem Teilkreis 8 angeordnete Kolben 9, die mittels einer auf der Antriebswelle 7 drehfest angeordneten Schiefscheibe 11 in entsprechend bemessenen und zugeordneten Kolbenbohrungen 12 eines innenseitig am Gehäusedeckel 3 angeordneten Zylinderblocks 13 verschiebbar sind und allgemein mit 14 und 15 bezeich­ nete Ein- und Auslaßventile zur Steuerung der Axialkolben­ pumpe.

Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Schiefscheibe 11 mit ihrer Umfangsfläche und mit ihrer dem Zylinderblock 13 abgewandten Stirnfläche in einem radialen und einem axialen Gleitlager 16, 17 gelagert. Die Kolben 9 werden durch eine Rückzugplatte 18 in Kontakt mit der Schieffläche 19 der Schiefscheibe 11 gehalten, wobei die Schiefscheibe 11 durch ein Kugelkopflager 20 mit einer auf der Antriebs­ welle 7 angeordneten Hülse 21 in Kontakt steht, die - und somit auch die Rückzugplatte 18 - durch eine am Gehäusedeckel 3 abgestützte Feder 22 in Richtung auf die Schieffläche 19 beaufschlagt ist. Die Kolben 9 weisen kugelförmige Kolbenköpfe auf, mit denen sie gelenkig, jedoch axial ortsfest in an der Schieffläche 19 gleitenden Gleitschuhen 23 gelagert sind.

Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die Einlaßven­ tile 14 durch eine innerhalb des Kolbens 9 verlaufende und radial an einer bestimmten Stelle des Kolbenmantels 24 austretende Kanalverbindung gebildet. Die Anordnung ist so getroffen, daß diese mit 25 bezeichnete Stelle in der zurückgezogenen Position des jeweiligen Kolbens 9 zum Hohlraum 5 des Gehäuses 4 freiliegt, jedoch in der vorgeschobenen Position des jeweiligen Kolbens 9 von der Wand der zugehörigen Kolbenbohrung 12 abgedeckt ist. Der Abstand a dieser Stelle 25 vom Rand 26 der zugehörigen Kolbenbohrung 12 in der zurückgezogenen Stellung des Kolbens 9 ist an die funktionellen Anforderun­ gen der Axialkolbenpumpe 1 anzupassen und beträgt beim vorliegenden Ausführungsbeispiel etwa 2 mm. In dieser zurückgezogenen Position des Kolbens 9 erfolgt das Füllen der Kolbenbohrung 12 durch Ünterdruck aus dem Hohlraum 5 des Gehäuses 4, der im Betrieb mit Fluid gefüllt ist.

Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel werden Kolben 9 mit einer von ihrer Stirnseite ausgehenden Bohrung 27 (Hohlkolben) eingesetzt. Die Öffnung zum Hohlraum 5 hin ist durch wenigstens eine, vorzugsweise vier radiale Bohrungen 28 gebildet.

Die Auslaßventile 15 weisen einen gemeinsamen Ventilring 31 auf, der mit radialem Bewegungsspiel S ₁ und seitlichem Bewegungsspiel S ₂ in einer Ringnut 32 angeordnet ist, die beim vorliegenden Ausführungsbeispiel alle vorhandenen Kolbenbohrungen 12 umgibt und - radial gesehen - im Bereich der inneren Enden der Kolbenbohrungen 12 angeordnet ist. Die Auslaßventile 15 werden weiter durch von den Kolbenbohrungen 12 ausgehende und radial in eine Ringnut 32 ausmündende Förderkanäle 33 mit Ventilöffnungen 34 gebildet, deren Durchmesser d geringer ist, als die Breite b des Ventilrings 31. Von der Ringnut 32 geht radial auswärts ein weiterer Förderkanal 35 aus, der in einen radialen Anschluß 36 für eine nicht dargestellte Förderleitung mündet.

Der Zylinderblock 13 ragt um das mit c bezeichnete Maß in den zylindrischen Abschnitt 37 des topfförmigen Gehäuses 2 hinein, wobei zwischen der Außenmantelfläche 38 des Zylinderblocks 13 und der zylindrischen Innenmantel­ fläche 39 des Abschnitts 37 (vgl. Abstand B) ein Ringkörper 41 eingesetzt ist, der an seinem der Schiefscheibe 11 zugewandte Ende an einer Schulter 42 des Gehäuseteils 2 und an seinem anderen Ende an einer Schulter 43 des Zylinderblocks 13 axial fixiert ist, und der den Ringkanal 32 auf seiner der Schiefscheibe 11 zugewandten Seite begrenzt. Auf der anderen Seite ist der Ringkanal 32 durch den Gehäusedeckel 3 bzw. dessen flanschförmige Erstreckung begrenzt. Der Gehäusedeckel 3 ist somit mittelbar über den Ringkörper 41 in der zylindrischen Ausnehmung des Gehäuseteils 2 zentriert. Es ist zu berücksichtigen, daß der Ringkörper 41 mit einer feinen Passung auf den Zylinderblock 13 und in das Gehäuseteil 2 paßt. Zur Abdichtung des Ringkanals 32 können O-Ringe 40 in Ringnuten zwischen dem Ringkörper 41 und anliegenden Teilen (Gehäuseteil 2) sowie dem Gehäuseteil 2 und dem Gehäusedeckel 3 vorgesehen sein. Die Befestigung des Gehäusedeckels 3 am Gehäuseteil 2 erfolgt durch Schrauben 44.

Im Betrieb der Axialkolbenpumpe 1 wird das Fluid durch eine andeutungsweise dargestellte, an einem radialen Leitungsanschluß 45 anschließbare Saugleitung und einen sich an den Leitungsanschluß 45 anschließenden Strömungs­ kanal 46 in den Hohlraum 5 des Gehäuses 4 und weiter wie vorbeschrieben in die Kolbenbohrungen 12 gesaugt. Beim Vorschub der Kolben 9, an dem jeweils im wesentlichen die Hälfte der Anzahl der vorhandenen, beim vorliegenden Ausführungsbeispiel sieben Kolben 9 teilnimmt, wird das Fluid aus den Kolbenbohrungen 12 in Richtung der in Fig. 2 mit 47 bezeichneten Strömungspfeile in den Ringkanal 32 und weiter seitlich durch die zwischen dem Ventilring 31 und den radialen Wänden des Ringkanals 32 vorhandenen Spalte 48 am Ventilring 31 vorbeigedrückt, wobei das Fluid durch den Förderkanal 34 zur angedeuteten Förderleitung gelangt.

Die vorhandenen Ventilöffnungen 34 werden jeweils durch eine radiale Verlagerung des Ventilrings 31 geöffnet oder geschlossen, wie es am besten aus Fig. 2 ersichtlich ist. Dabei wird der Ventilring 31 aufgrund des auf ihn wirkenden Strömungsdrucks des durch die Ventilöffnun­ gen 34 austretenden Fluids automatisch in die Lage bewegt, in der er die unter Druck stehendes Fluid auslas­ senden Ventilöffnungen 34 öffnet (linke Seite). Die diametral entgegengesetzt angeordneten Ventilöffnungen 34 (rechte Seite) werden dabei gleichzeitig geschlossen, wobei der in den zugehörigen Kolbenbohrungen 12 enthaltene Unterdruck und ggf. der auf dieser Seite auf den Ventil­ ring 31 lastende Druck die dichte Anlage des Ventilrings 31 an der die Ventilöffnungen 34 enthaltenden Ringfläche 49 des Ringkanals 32 bewirkt. Der Ventilring 31 ist in der Lage, sich um ca. 180° an die Ringfläche 49 des Ringkanals 32 anzulegen, d.h. so zu verformen bzw. zu biegen, da er aus einem biegsamen, vorzugsweise elastisch biegsamen Material wie Metall oder Kunststoff besteht.

Die Größe der Bewegungsspiele s ₁, s ₂ bzw. Spalte ist abhängig vom Durchsatz- bzw. Fördervolumen der Axialkolben­ pumpe 1. Die Anordnung ist so zu treffen, daß das Fluid ohne wesentliche Drosselverluste aus den Kolbenbohrungen 12 herausgefördert werden kann. Die Größe des Bewegungs­ spiels s ₁, s ₂ bzw. der Spalte 48 ist somit auch abhängig von der Anzahl der Kolben 9, denn bei einer größeren Anzahl von Kolben 9 ist auch das Fördervolumen größer. Dagegen können beim Vorhandensein einer geringen Anzahl Kolben, d.h., einem verhältnismäßig geringem Fördervolumen, die Bewegungsspiele s ₁, s ₂ bzw. die Spalte 48 verhältnis­ mäßig klein bemessen werden.

Die Größe der Bewegungsspiele s ₁, s₂ bzw. Spaltweiten sind abhängig vom Durchsatz bzw. Fördervolumen der Axialkolbenmaschine 1. Bei einem Durchmesser des Ventil­ rings 31 von etwa 50 mm sollten etwa 0,3 bis 1 mm ange­ strebt werden. Bei Versuchen wurden gute Ergebnisse bei einem Bewegungsspiel bzw. einer Spaltweite von etwa 0,5 mm erzielt. Hierdurch wird deutlich, daß die Elastizität des Ventilringes verhältnismäßig gering sein kann.

Trotz der vorbeschriebenen Beziehung zwischen der Größe der Spalte 48 und dem Durchsatzvolumen ist die erfindungs­ gemäße Ausgestaltung auch für Kolbenmaschinen mit verstell­ barer Durchsatzmenge einsetzbar, da die vorbeschriebene Beziehung Abweichungen bestimmter Größen erlaubt.

Im Rahmen der Erfindung ist es im Gegensatz zum vorbe­ schriebenen Ventilring 31 als Außenring auch möglich, die erfindungsgemäße Ventilanordnung mit einem Ventilring als Innenring auszuführen. Außerdem ist erfindungsgemäße Ausgestaltung auch an einer Radialkolbenmaschine (Pumpe) zu verwirklichen.

Claims (9)

1. Axial- oder Radialkolbenmaschine mit mehreren, einander diametral oder sternförmig gegenüberliegenden Kolben, mit einer Steuerventilanordnung mit einem geschlossenen Ventilring, der mit einer die Ventilöffnungen enthalten­ den Ringfläche als Ventilsitz zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß ein radiales Bewegungsspiel (s ₁) zwischen der Ringfläche (49) und der mit dieser zusammenwirkenden Umfangsfläche des Ventilrings (31) vorgesehen ist und der Ventilring (31) nicht dehnbar, jedoch biegsam ist.

2. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilring (31) elastisch biegsam ist.

3. Kolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilring (31) aus Metall, insbesondere Stahl, oder Kunststoff besteht.

4. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkanal (32) im Bereich der inneren Enden der Kolbenbohrungen (12), vorzugsweise radial außen von den Kolbenbohrungen (12), angeordnet ist.

5. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Axialkolbenmaschine der Ringkanal (32) zwischen einem die Kolbenbohrungen (12) aufweisen­ den, gehäusefesten Zylinderblock (13) und einer letzteren umgebenden Wand (37) des Gehäuses (4) angeordnet ist.

6. Kolbenmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Außenmantelfläche (38) des Zylinder­ blocks (13) und der Wand (37) ein den Ringkanal (32) axial begrenzender Ringkörper (41) eingesetzt ist.

7. Kolbenmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper (41) zwischen einer Schulter (42) an der Wand (37) des Gehäuses (4) und einer Schulter (43) am Zylinderblock (13) axial fixiert ist.

8. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderblock (13) innenseitig an einem flanschförmigen, den Ringkanal (32) axial begrenzenden Gehäusedeckel (3) angeordnet ist, vorzugsweise ein­ stückig von diesem ausgeht.

9. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß vom Ringkanal (32) ein radialer Förderkanal (46) zu einem vorzugsweise radialen Leitungsanschluß (36) führt.