DE2151715A1 - Selbstregelnde kolbenpumpe - Google Patents

Description

Selbstregelnde Kolbenpumpe

Die Erfindung bezieht sich auf eine selbstregelnde Kolbenpumpe zur Aufrechterhaltung konstanten Druckes in einem System, insbesondere einem Hydrauliksystem, mit je einem Rückschlagventil in der Saug- und der Druckleitung, bei der die Regelung der in das System abzugebenden Fördermenge in Abhängigkeit vom Systemdruck erfolgt.

Es ist eine selbstregelnde Kolbenpumpe gemäß Abb. 1 der Zeichnungen bekanntgeworden, bei der die Regelung der Fördermenge durch Beaufschlagung des Pumpengehäuseinnenraums mit dem Systemdruck erfolgt. Zu diesem Zweck ist eine Regelleitung vorgesehen, die an das Hydrauliksystem außerhalb des Rückschlagventils der Druckleitung angeschlossen ist und in den Pumpengehäuseinnenraum mündet. Ab einem bestimmten Druck wird der Hubkolben der Kolbenpumpe durch den Druck im Gehäuseinnenraum vom Pumpennocken abgehoben, so daß der Hub des Pumpenkolbens geringer wird und schließlich Null ist. Nachteilig bei einer selbstregelnden Kolbenpumep gemäß Abb. 1 ist, daß sich im Innenraum des Pumpengehäuses ein Druck&ufbaut, der dem Druck im Hydrauliksystem entspricht. Der Druck im Hydrauliksystem beläuft sich bis auf 300 atü. Da die Pumpenwelle, von der aus über einen oder mehrere Nocken die Pumpenkolben betätigt werden, außerhalb des Pumpengehäuses angetrieben wird, muß der Systemdruck an der sich drehenden Pumpen-

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welle abgedichtet werden. Eine solche Abdichtung ist äußerst aufwendig und sehr verschleißanfällig, Versagt diese Dichtung, so ist die Regelfunktion der Pumpe gefährdet, da der Druck im Innern des Gehäuses sinkt und die Pumpe zumindest mit geringer Fördermenge arbeitet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine selbstregelnde Pumpe obiger Gattung mit einfachen Mitteln dahingehend zu verbessern, daß die genannten Nachteile vermieden werden und eine einfache und sichere Regelung gewährleistet ist.

Diese Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß zwischen dem Rückschlagventil der Druckleitung und der Kolbenpumpe ein Expansionsraum angeschlossen ist, der das Expansionsvolumen elastisch, unter Druckanstieg aufnimmt. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß nunmehr der Innenraum des Pumpengehäuses drucklos bleibt, wobei der Kolben der Kolbenpumpe mit einem konstanten Hub fördert und der Expansionsraum das überschüssige Volumen, was nicht vom Hydrauliksystem aufgenommen wird, speichert. Da im Expansionsraum das Volumen unter Druckanstieg aufgenommen wird, wird der größte Teil der dabei gieisteten Arbeit der Pumpe während ihres Saughubes wieder zugeführt.

Eine günstige Ausgestaltung der Erfindung wird dann erzielt, wenn der Expansionsraum als Gasspeicher ausgebildet ist. Da Gasspeicher jedoch verhältnismäßig teuer sind, wird andererseits vorgeschlagen, daß der Expansionsraum als ein an sich bekannter

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Kolbenspeicher mit einem gegen die Kraft einer Feder verschiebbar angeordneten Speicherkolben ausgebildet ist. Kolbenspeicher sind zwar bei Einspritzpumpen für Dieselbrennkraftmaschinen bekannt, dienen dort Jedoch nicht der Regelung der Fördermenge wie beim Anmelduncsgegenstand sondern sollen Ungleichförmigkeiten der Pumpe ausgleichen und das Nachtropfen der Einspritzdüsen verhindern. Sie geben daher keine Anregung zur Verwendung als Regelglieder bei einer selbstregelnden Kolbenpumpe. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der Speicherkolben in dem verlängerten Zylinder des Hubkolbens der Kolbenpumpe angeordnet ist, wobei der Entspannungsweg des Speicherkolbens durch einen in einer Nut des Zylinders angeordneten Federring begrenzt ist. Durch Anordnung des Speicherkolbens und des Hubkolbens der Kolbenpumpe im gleichen Zylinder ergibt sich der Vorteil, daß nur ein Zylinder feinstbearbeitet zu werden braucht und dadurch die Herstellungskosten der Pumpe gering gehalten werden können. Dabei kann weiterhin die Anschlagbegrenzung des Speicherkolbens am Ende des Entspannungsweges durch einen Federring kostensparend vorgenommen werden. Eine günstige und raumsparende Ausgestaltung ergibt sich andererseits dann, wenn der Speicherkolben innerhalb des Hubkolbens der Kolbenpumpe angeordnet ist. Ist das vom Kolbenspeicher aufnehmbare Volumen kleiner als das Hubvolumen der Kolbenpumpe,so ist es vorteilhaft, wenn der Speicherkolben am Ende seines Speicherhubes eine Verbindungsöffnung zum Vorratsbehälter freigibt und dadurch als überdruckventil dient. Diese Ausgestaltung ist dann empfehlenswert, wenn es nicht so sehr auf einen besonders guten Wir-

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kungsgrad ankommt, dafür aber ein dauernder Förderstrom innerhalb der Pumpe, beispielsweise zur Kühlung insbesondere bei höheren Drehzahlen, günstig ist. Vorzugsweise jedoch wird vorgeschlagen, daß das aufnehmbare Volumen des Kolbenspeichers größer ist als das Hubvolumen der Kolbenpumpe. In diesem Fall wird, wenn vom Hydrauliksystem keine Hydraulikflüssigkeit aufgenommen wird, von der Pumpe kein Druckmittel angesaugt, so daß lediglich di€i Reibungsverluste für die Verschiebung des Speicher- und Pumpenkolbens sowie des zwischen diesen eingeschlossenen Druckmittels aufgebracht zu werden braucht, wodurch sich ein optimaler Wirkungsgrad ergibt. Es hat sich gezeigt, daß der Anschlag, der den Entspannungsweg des Speicherkolbens begrenzt, ein stark belastetes, verschleißbehaftetes Teil ist. Daher ist es zweckmäßig, daß der Speicherkolben einen hydraulischen Dämpfer aufweist, der derart ausgebildet ist, daß der Speicherkolben am Ende seines Entspannungsweges mit einer geringen Geschwindigkeit auf den Begrenzungsanschlag trifft.

Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung können der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnungen, welche Ausführungsbeispiele der Erfindung vereinfacht darstellen, entnommen werden. Es zeigen:
Abb. 1 eine bekannte selbstregelnde Kolbenpumpe gemäß dem Stand

der Technik,
Abb. 2 einen Schnitt durch eine selbstregelnde Kolbenpumpe gemäß der Erfindung bei der der Expansionsraum als Gasspeicher ausgebildet ist,

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Abb. 3 eine selbstregelnde Kolbenpumpe gemäß Abb. 2, bei der der Expansionsraum als Kolbenspeicher ausgebildet ist und einen hydraulischen Dämpfer aufweist,

Abb. 4 einen Schnitt durch eine selbstregelnde Kolbenpumpe gemäß der Erfindung, bei der der Speicherkolben und der Pumpenkolben im selben Zylinder angeordnet sind und der Speicherkolben als Überdruckventil ausgebildet ist,

Abb. 5 einen Schnitt durch eine selbstregelnde Kolbenpumpe gemäß der Erfindung, bei der der Speicherkolben im Hubkolben der Kolbenpumpe angeordnet ist und das aufnehmbare Volumen des Speicherkolbens größer ist als das Hubvolumen der Kolbenpumpe,

Abb. 6 einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der der Speicherkolben mittels einer Büchse im Zylinder der Kolbenpumpe gelagert ist und in den hohlen Pumpenkolben hineinragt»

In den Abb. 2 bis 6 ist mit 1 eine Pumpenwelle bezeichnet, die, nicht dargestellt, angetrieben wird und auf der ein Nocken 2 drehfest angeordnet ist. Weiterhin ist mit 3 eine Kolbenpumpe bezeichnet, die zumindest einen Pumpenzylinder 4, einen Pumpenkolben 5 und eine Druckfeder 6 aufweist. Am Pumpenkolben 5 ist auf einem Bolzen 7 eine Rolle 8 drehbar gelagert, die mit dem Nocken 2 in Wirkverbindung steht. Die Druckfeder 6 ist dabei auf der der Rolle gegenüberliegenden Seite des Kolbens angeordnet, so daß diese den Kolben in Richtung auf den Nocken 2 drückt, wodurch der Kolben bei Drehung der Welle 1 entland des Zylinders

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hin- und hergeschoben wird. An den mit 9 bezeichneten Pumpenraum ist einerseits eine Saugleitung 10, die zu einem Vorratsbehälter 11 führt, und andererseits eine Druckleitung 12, die zu einem nicht dargestellten Hydrauliksystem führt, angeschlossen. Sowohl in der Saugleitung 10 wie in der Druckleitung 12 ist je ein Rückschlagventil 13 und 14 derart eingebaut, daß kein Druckmittel vom Druckraum 9 in den Vorratsbehälter 11 und vom Hydrauliksystem in den Druckraum 9 gelangen kann.

Wie darüber hinaus in Abb. 2 dargestellt, ist an die Druckleitung 12 zwischen dem Rückschlagventil 14 und dem Druckraum 9 über eine Leitung 15 ein Gasspeicher 16 angeschlossen. Weiterhin ist an der Leitung 12 zwischen dem Rückschlagventil 14 und dem nicht dargestellten Hydrauliksystem eine Überdruckleitung 17 angeschlossen, in der ein Überdruckventil 18 eingebaut ist. Die Funktionsweise der selbstregelnden Kolbenpumpe gemäß Abb. 2 ist v/ie folgt. Bewegt sich der Hubkolben 5 nach links, so wird Druckmittel über die Leitung 12 und die Leitung 15 in den Gasspeicher Ψ \6 gefördert, wobei das über dem Druckmittel befindliche Gas im Gasspeicher 16 sich unter Druckerhöhung solange komprimiert, bis der Druck in der Leitung 12 vor dem Rückschlagventil 14 größer ist als der Druck in der Leitung 12 hinter dem Rückschlagventil 14, so daß ab dann Druckmittel aus dem Druckraum 9 in das Hydrauliksystem gefördert wird. Hat der Pumpenkolben 5 seinen oberen Totpunkt überschritten, so nimmt der Druck in der Leitung 12 vor dem Rückschlagventil 14 ab, so daß das Rückschlagventil 14 sich schließt und das Gas im Gasspeicher sich wieder aus-

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dehnt, wobei Druckmittel aus dem Gasspeicher 16 in den Druckraum 9 solange zurückgedrückt wird, bis ein Unterdruck erreicht ist und das fehlende Druckmittel über die Saugleitung 10 und das Rückschlagventil 13 aus dem Vorratsbehälter 11 entnommen wird. Ist das aufnehmbare Volumen des Gasspeichers 16 zumindest so groß wie das Hubvolumen der Kolbenpumpe 3, so ist kein Überdruckventil erforderlich, wogegen ein Überdruckventil erforderlich ist, wenn daρ aufnehmbare Volumen des Gasspeichers 16 kleiner ist als das Hubvolumen der Kolbenpumpe 3.

In Abänderung zu Abb. 2 ist in Abb. 3 ein mit 19 bezeichneter Kolbenspeicher dargestellt, der über eine Leitung 20 mit dem Druckraum 9 der Kolbenpumpe 3 verbunden ist. In der 'bb. 3 steht die Leitung 20 mit der Druckleitung 12 und der Saugleitung 10 in Verbindung, was jedoch nicht funktionserforderlich ist. Der Kolbenspeicher 19 weist zwei verschieden große zylindrische Bohrungen 21 und 22 auf, in denen zwei entsprechende, miteinander verbundene Kolben 23 und 24 angeordnet sind. Die Leitung 20 mündet dabei in dem vom Zylinder 21 und dem Kolben 23 gebildeten Speicherraum 25 wogegen der von den Kolben 23 und 24 in Verbindung mit dem Zylinder 22 gebildete ringförmige Speicherraum 26 über den zwischen dem Kolben 23 und dem Zylinder 21 bewußt etwas größer gewühlten Ringspalt mit. dem Speicherraum 25 in Verbindung steht und als hydraulischer Dämpfer wirkt. Auf der dem Kolben 23 abgevandten feite ist der Kolben 24 durch eine Druckfeder 27 belastet, die sich an einem in der zylindrischen Bohrung 22 eingelastnen Federring 28 abstützt. Der Bereich des Zylinders 22,

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in dem die Druckfeder 27 angeordnet ist, ir;t über eine Leitung mit dem Vorratsbehälter 11 verbunden, so daß Leckmittel drucklos abfließen kann. Bewegt sich in Abb. 3 der Pumpenkolben 5 nach links, :;<> gelangt Druckmittel übel* die Leitung 20 in den Speicherrauni ?'j>, v/odurch die Kolben 23 und 24 gegen die Kraft der Feder 27 nacli links bewegt werden, wobei Druckmittel vom Speicherraum 25 in den Speicherraum 26 gelangt. Die Kolben bewegen sich solange, nach links bis der Druck in dei" Leitung 12 vor dem Rückschlagventil 14 größer ist als hinter dem Rückschlagventil 14 so daß dann Druckmittel in das Hydrauliksystem gepumpt wird. Bewegt sich der Pumpenkolben 5 wieder nach rechts, seinem unteren Totpunkt zu, so wird durch die Kraft der Feder 27 über die Kolben zh und 23 unter Arbeitsleistung solange Druckmittel zurückgefördert, bis der Speicherraum 25 entleert ist. Während'dieser Bewegung der Kolben 24 und 23 nach rechts kann der Speicherraum 26 sich nur langsam entleeren, so daß dadurch die Bewegung der Kolben gedämpft wird.

" In Abb. 4 ist ein mit 30 bezeichneter Speicherkolben in dem verlängerten Pumpenzylinder 4 angeordnet. Er wird durch eine Druckfeder 31 C^eS^en einen im Pumpenzylinder 4 angeordneten Federring 32 gedruckt, während sich die Feder 31 andererseits an einem Ringteil 33 abstützt, der an einem im Pumpenzylinder 4 . eingesetzten weiteren Federring 34 anliegt. Die Druckfeder 6 stützt sich dabei über eine Scheibe 35 auf der dem Speicherkolben 30 gegenüberliegenden Seite des Federringes 32 ab.. Innerhalb des Bewegungsbereichs des Speicherkolbens 30, kurz vor Ende des

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Speicherhubweges ist im Pumpenzylinder 4 eine Ringnut 36 eingelassen, die über eine Leitung 37 mit dem Vorratsbehälter 11 in Verbindung steht. Die Funktionsweise der selbstregelnden Kolbenpumpe gemäß Abb. 4 entspricht, abgesehen von der hydraulischen Dämpfung, der Funktionsweise der selbstregelnden Pumpe gemäß Abb. 3, wobei jedoch in Abweichung der Speicherkolben 30 als Überdruckventil ausgebildet ist. Ist nämlich der Druck in der Leitung 12 hinter dem Rückschlagventil 14 so hoch, daß fast das gesamte Hubvolumen gespeichert werden soll, so öffnet kurz vor Ende des Speicherhubes der Speicherkolben 30 die Leitung 37, so daß ein gewisser Teil des Druckmittels abströmen kann. Dadurch wird bei hohem Pumpendruck und geringer bzw. keiner Fördermenge die Kolbenpumpe gespült, wodurch eine Kühlung des innerhalb der Pumpe der Reibungswärme ausgesetztes Druckmittel erfolgt.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Abb. 5 weist der Pumpenkolben 5 zwei zylindrische Bohrungen 40 und 41 auf, von denen die kleinere Bohrung 40 in dem der Rolle 8 abgewandten Teil des Pumpenkolbens 5 und die größere Bohrung 41 in dem zugewandten Teil angeordnet ist. Innerhalb der zylindrischen Bohrung 40 ist ein hohler Speicherkolben 42 dichtend geführt, der einen .in der Bohrung 41 angeordneten Flansch 43 aufweist. In der Bohrung 41 ist weiterhin in einer Nut derselben, an dem der Rolle 8 zugewandten Ende, ein Federring 44 eingesetzt, an dem eine Scheibe 45 anliegt. Zwischen der Scheibe 45 und dem Flansch 43 ist eine Druckfeder 46 eingebaut, die den Speicherkolben 42 in der linken Stellung innerhalb des Pumpenkolbens 5 hält. Die selbstregelnde Pumpe

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gemäß Abb. 5 unterscheidet sich weiterhin dadurch, daß der Pumpenzylinder 4 an seinem dem Pumpenkolben 5 abgewandten Ende einen Dichtungskolben 47 mit einem Dichtring 48 aufweist, wobei, der Dichtungskolben 47 sich an einem Federring 49 abstützt und andererseits als Anlagefläche für die Druckfeder 6 dient. Das aufnehmbare Hubvolumen des Speicherkolbens 42 ist so gewählt, daß es größer ist als das mögliche Hubvolumen des Purapenkolbens, so daß eine Überströraöffnung nicht erforderlich ist.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Abb. 6 entspricht prinzipiell dem Ausführungsbeispiel von Abb. 4, Dabei ist Jedoch der Pumpenkolben 5 hohl ausgebildet und ein fpeicherkolben 50 so angeordnet, daß er bis in den Hohlraum des Pumpenkolbens 5 hineinreicht. Der Speicherkolben 50 ist ebenfalls hohl ausgebildet und in einer Büchse 51» die in dem Pumpenzylinder 5 sitzt, dichtend geführt, wobei die Büchse 51 durch zwei Federringe 52, 53, die in Nuten des Pumpenzylinders 4 angeordnet sind, axial gesichert ist. Die Büchse 51 hat eine radiale Bohrung 54, die sich an eine zugeordnete Rückströmöffnung 55 anschließt, die zum Vorratsbehälter 11 führt. Der Speicherkolben 50 wegist an seinem linken Ende einen Flansch 56 auf, dessen Außendurchmesser der Bohrung des Pumpenzylinders 4 entspricht und der einerseits in Verbindung mit dem Federring 52 als Begrenzungsanschlag des Speicherkolbens in Richtung auf den Pumpenkolben 5 dient und der andererseits eine Anlagefläche für eine Druckfeder 57 aufweist, wobei sich die Druckfeder 57 weiterhin an einer Scheibe 58 abstützt, die durch einen in dem Pumpenzylinder 4 angeordneten Federring 59 befestigt ist.

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An der Scheibe 58 liegt weiterhin eine Druckfeder 60 an, die innerhalb der Druckfeder 57 angeordnet ist und erst dann zur Anlage kommt, wenn die Druckfeder 57 um einen Betrag zusammengedrückt ist. Auf der der Büchse 51 abgewandten Seite des Federrings 53 ist ein Ring 61 angeordnet, an dem sich die Druckfeder abstützt. Der hohl ausgebildete Speicherkolben 50 weist eine radiale Bohrung 62 auf, die so angeordnet ist, daß sie kurz vor Ende des Speicherweges des Speicherkolbens 50 mit der Bohrung ' in irkverbindung steht. Die Funktionsweise der Speicherkolben gemäß Abb. 6 entspricht der der Abb. 4, so daß eine Erläuterung nicht erforderlich ist.

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KHD klöckner-humboldt-deutzag■ Köln 5 Köln 80, den 28. Sept. 1971 Unser Zeichen: D 71/120 N/B AP Patentansprüche

1. Selbstregelnde Kolbenpumpe zur Aufrechterhaltung konstanten Druckes in einem System, insbesondere einem Hydrauliksystem, mit je einem Rückschlagventil in der Saug- und der Druckleitung, bei der die Regelung der in das System abzugebenden Fördermenge in Abhängigkeit vom Systemdruck erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Rückschlagventil (14) der Druck—

ψ ldtung (12) und der Kolbenpumpe (3) ein Expansionsraum (16, 19) angeschlossen ist, der das Expansionsvolumen elastisch, unter Druckanstieg aufnimmt.

2. Selbstregelnde Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Expansionsraum als Gasspeicher (16) ausgebildet ist.

3. Selbstregelnde Kolbenpumpe nach Anspruch 1-, dadurch gekennzeichnet, daß der Expansionsraum als ein an sich bekannter

Kolbenspeicher (19) mit einem gegen die Kraft.einer Feder (27; 31; 46; 57, 60) verschiebbar angeordneten Speicherkolben (23, 24 bzw. 30 bzw. 42 bzw. 50) ausgebildet ist. ,

4. Selbstregelnde Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherkolben (30; 50) in dem verlängerten Zylinder (4) des Hubkolbens (5) der Kolbenpumpe (3) angeordnet ist, wobei der Entpsannungsweg des Speicherkolbens (30; 50) durch einen in einer Nut des Zylinders (4) angeordneten Federring (32; 52) begrenzt ist.

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5. Selbstregelnde Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherkolben (-42) innerhalb des Hubkolbens (5) der Kolbenpumpe (3) angeordnet ist»

6. Selbstregelnde Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1,

3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherkolben (30; 50) am Ende seines Speicherhubes eine Verbindungsöffnung (37; 54, 55, 62) zum Vorratsbehälter (11) freigibt und dadurch als Überdruckventil dient.

7. Selbstregelnde Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1,

3 bis 5r dadurch gekennzeichnet, daß das aufnehmbare Volumen des Kolbenspeichers (19) größer ist als das Hubvolumen der Kolbenpumpe (3).

8. Selbstregelnde Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1,

3 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherkolben (23» 24) einen hydraulischen Dämpfer (26) aufweist, der derart ausgebildet ist, daß der Speicherkolben (23, 24) am Ende seines Entspannungsweges mit einer" geringen Geschwindigkeit auf den Begrenzungsanschlag trifft.

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