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Zylinder-Kolbenanordnung für eine Flüssigkeitspumpe
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Die Erfindung betrifft eine Zylinder-Kolbenanordnung für eine Flüssigkeitspumpe,
insbesondere für eine Hochdruckpumpe zum Fördern heißer Flüssigkeiten, mit einem
auf einer Kolbenstange zumindest mit radialem Spiel angebrachten Kolbenkörper, der
eine an der Zylinderinnenwand anliegende und in einer Umfangsnut des Kolbenkörpers
angeordnete Dichtungsmanschette trägt.
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Aus dem Gebrauchsmuster 1 956 183 (Hartlage) ist eine Differentialkolbenpumpe
bekannt, bei der auf einer hin- und hergehend angetriebenen Kolbenstange mit radialem
Spiel ein über eine Manschette an einer Zylinderinnenwandung abgestützter Kolbenkörper
vorgesehen ist, der zusätzlich zu seiner radialen Beweglichkeit noch eine begrenzte
axiale Bewegungsmöglichkeit besitzt und während des Saug- bzw. Druckhubes zwischen
einem am vorderen Ende der Kolbenstange vorgesehenen Ventilteller
und
einem Begrenzungsanschlag an der Kolbenstange bewegt wird.
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Die den Kolbenkörper radial führende Manschette sitzt in einer Ringnut
des Kolbenkörpers und wird mit ihrem Dichtlippenteil in Abhängigkeit von den jeweils
herrschenden Drücken gegen die Zylinderinnenwandung gepreßt.
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Nachteilig bei dieser Konstruktion und auch bei allen anderen Kolbenkonstruktionen
mit radialer Einstellbarkeit des Kolbenkörpers ist vor allem, daß die Dichtungsmanschette
einem starken Verschleiß unterliegt, da der radiale Spalt zwischen Eolbenkörper
und Zylinder, insbesondere auch wegen der zum Teil unvermeidbaren Fluchtungsfehler,
nicht beliebig klein gehalten werden kann und somit vor allem bei mittleren bis
hohen Drücken stets die Gefahr besteh-t, daß die Manschette in den Spalt hineinwandert.
Diese bei allen Dichtungen gefürchtete Spaltextrusion führt zu einer ganz wesentlichen
Verkürzung der Lebensdauer der Dichtung und kann überdies zur Folge haben, daß bereits
nach vergleichsweise kurzer Betriebsdauer aufgrund sich einstellender Direktreibung
zwischen Kolbenkörper und Zylinderinnenwand eine mit einer derartigen Zylinder-Kolbenanordnung
ausgerüstete Pumpe reparaturbediirftig bzw.
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unbrauchbar wird.
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Die erwähnte Spaltextrusion tritt vor allem dann in hohem Maße auf,
wenn der Kolbenkörper im Zylinder nicht exakt zentriert werden kann. Dies ist insbesondere
dann der Fall, wenn bei einer Pumpe, bei der ein sowohl radial als auch axial beweglicher
Kolbenkörper mit einer Saugventilplatte zusammenwirkt, bei hohen Anpressdrücken
die Reibung zwischen Eolbenkörper und Saugventilplatte durch die von der Manschette
aufgebrachten Führungskräfte nicht überwunden werden kann. Diesen Schwierigkeiten
konnte bisher nur durch extrem hohe Fertigungsgenauigkeit entgegengewirkt werden,
aber eine Beseitigung der grundsätzlich gegebenen Problematik ist bisher nicht gelungen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Zylinder-Kolbenanordnung der eingangs
definierten Art zu schaffen, bei der durch konstruktiv einfache und auf wirtschaftliche
Weise zu realisierende Maßnahmen das Auftreten von Spaltextrusion verhindert, die
Betriebssicherheit insbesondere auch im Falle des Einsatzes in Hochdruckpumpen zum
Fördern heißer Flüssigkeiten wesentlich erhöht und die Bebensdauer der Gesamtanordnung
beträchtlich verlängert wird.
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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der Kolbenkörper
über wenigstens ein puhrungselement an der Zylinderinnenwand abgestützt ist, daß
dieses Führungselement in einer bezüglich der Manschette saugraumseitig gelegenen
Kolbenkörpernut angebracht ist und aus einem verschleißfesten Material mit guten
Gleiteigenschaften besteht.
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Durch die gemäß der Erfindung vorgenommene Aufteilung von Dichtungsfunktion
und Fühuungsfunktion wird nicht nur die Gefahr der Spaltextrusion ausgeschaltet,
sondern es wird gleichzeitig eine vom jeweiligen Anpressdruck der Dichtlippe an
die Zylinderinnenwand unabhängige Führung des Eolbenkörpers gewährleistet, d.h.
es wird durch die Führung eine unter allen Betriebsbedingungen im wesentlichen konstante
radiale Stellkraft bereitgestellt, die bewirkt, daß sich der Kolbenkörper stets
einwandfrei entsprechend der Zylinderachse bewegt.
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Das Führungselement kann zweckmäßigerweise ringförmig mit rechteckiger
oder T-förmiger QuerschnittsSläche ausgebildet sein. Vorzugsweise liegt dabei das
Führungselement mit einem teil seiner druckraumseitigen Fläche unmittelbar an der
Manschette an, wobei jedoch der AuBendurchmesser,der Manschette im Bereich des Fuhrungselementes
kleiner ist als der iußendurchmesser des Führungselements.
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Der Boden der das Führungselement aufnehmenden Nut liegt zweckmäßigerweise
radial außerhalb des Bodens der die Manschette aufnehmenden Nut und im wesentlichen
auf gleichem oder größerem Durchmesser als die Oberkante der druckraumseitigen Flanke
der Manschettennut, so daß eine problemfreie Montage des Führungselements auch dann
gewährleistet ist, wenn dieses Führungselement als geschlossener Ring ausgebildet
ist.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Führungselement in
einer von der zur Aufnahme der Manschette bestimmten Nut axial beabstandeten Nut
angeordnet. Diese Variante erweist sich insbesondere dann als vorteilhaft, wenn
zwischen Nutboden und Führungselement ein elastisches Nachstellelement, z.B. in
Form eines Gummiringes, angeordnet ist. Auf diese Weise kann stets eine gewünschte
Vorspannung des Führungselementes bezüglich des Zylinders gewährleistet werden,
so daß auch über sehr lange Betriebszeiten konstante und stabile Verhältnisse hinsichtlich
der golbenkörperfuhrung gewährleistet sind.
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Eine ganz besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung zeichnet
sich dadurch aus, daß zwischen der an der Zylinderinnenwand anliegenden Manschette
und dem ebenfalls an der Zylinderinnenwand anliegenden Führungselement eine Rig
kammer ausgebildet ist, die über wenigstens eine Öffnung mit dem Saugraum in Verbindung
steht.
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Die sich im Betrieb mit Flüssigkeit füllende Ringkammer trägt wesentlich
zur Punktionstrennung zwischen Manschette und Führungselement bei. Durch die Verbindung
des Ringraumes mit der Saugraumseite wird einerseits ermöglicht, daß sich die Dichtung
mit sich in Abhängigkeit von dem jeweils gegebenen Druck ändernder Dichtfläche an
die Zylinderinnenwandung anlegen kann, und andererseits wird sichergestellt, daß
sich in diesem Ringraum keine unzulässig hohen Flüssigkeitstemperaturen einstellen.
Von
entscheidender Bedeutung ist jedoch, daß diese Ringkammer ihre Entkopplungsfunktion
zwischen Manschette und Führungselement aufgrund ihrer speziellen Ausgestaltung,
Anordnung und Verbindung mit der Saugraumseite bei allen Betriebsbedingungen erfüllen
kann.
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Die Verbindung des Ringraums mit dem Saugraum kann beispielsweise
durch den Schlitz eines als Schlitzring ausgebildeten Führungselements gewährleistet
werden, aber es ist auch möglich, einen ungeteilten Führungsring an seiner an der
Zylinderinnenwand anliegenden Außenringfläche mit in Axialrichtung verlaufenden
Ausnehmungen zu versehen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich
dadurch aus, daß das Führungselement druckraumseitig an seinem radial äuS>eren
Bereich mit einem Manschetten-Stützansatz versehen ist, wobei zweckmäßigerweise
die einander zugewandten Flächen von Manschette und Führungselement zumindest teilweise
einander angepaßte Form besitzen.
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Diese Ausgestaltung erbringt unter Beibehaltung der Funktionstrennung
von Dichtung und Führung den zusä;tzlichen Vorteil einer optimalen, formerhaltenden
Abstützung der Manschette, die wiederum zu einer Verlängerung der Lebensdauer der
Manschette führt.
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Insbesondere bei sehr hohen Drücken ist es vorteilhaft, der Manschette
druckraumseitig eine Drossel vorzuschalten, die ebenfalls als im Kolbenkörper gehalterter
und insbesondere unter radialer Vorspannung stehender Stützring ausgebildet ist.
Dieser druckraumseitige Stützring erbringt im Zusammenwirken mit dem bezüglich der
Manschette saugraumseitig gelegenen Stützring den zusätzlichen Vorteil einer sich
in einer Verringerung der Eipptendenz des Kolbens auswirkenden Doppelführung.
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Die erfindungsgemäße Zylinder-Kolbenanordnung findet bevorzugt Anwendung
bei einer Hochdruck-Flüssigkeitspumpe, bei der der Kolbenkörper auf einer Kolbenstange
axial beweglich zwischen einer Saugventilplatte und einer druckraumseitigen Begrenzungsplatte
angeordnet ist, und in diesem Falle ist von erfindungswesentlicher Bedeutung, daß
die durch das Phhrungs element erzeugbare radiale Stellkraft größer ist als die
zwischen Saugventilplatte und Kolbenkörper auftretende Reibkraft.
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Auf diese Weise kann sichergestellt werden daß unter Vermeidung von
Spaltextrusion, d.h. unter Vermeidung des Einwanderns der Dichtung in den Spalt
zwischen Kolbenkörper und Zylinder, auch bei gegebenenfalls vorhandenen Fluchtungsfehlern
eine radiale Bewegung des Kolbenkörpers gegenüber der Saugventilplatte ermöglicht
wird und sich der Kolben somit einwandfrei entsprechend der Zylinderachse bewegt,
was wiederum zu einer sogar bei relativ großer Hub länge gegebenen hohen Lebensdauer
der Gesamtanordnung bei einwandfreier Funktion führt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; in der Zeichnung zeigen: die Fig.
1 und 2 Axialsohnitt-Ansichten von zwei Ausführungsbeispielen einer Zylinder-Kolbenanordnung
mit im Querschnitt rechteckigen Führungselementen im Falle der Anwendung bei einer
Hochdruck-Flüssigkeitspumpe, und die Fig. 3 und 4 den vorhergehenden Figuren entsprechende
Ansichten zweier weiterer Ausführungsvarianten mit formmäßig speziell gestalteten
Führungselementen.
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Big. 1 zeigt einen Abschnitt eines Zylinders 1 einer Hochdruck-Flüs
sigkeitspumpe , die beispielsweise zum Fördern heißen Wassers verwendbar ist.
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Ein Kolbenkörper 2, der an seinem Außenumfang mit einer Dichtungsmanschette
3 versehen ist, befindet sich auf einem Endabschnitt 4 einer Kolbenstange 5, die
beispielsweise mittels eines exzentrischen Antriebs hin- und herbewegbar ist.
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Der Kolbenkörper 2 besitzt eine zentrische Bohrung 6, deren Durchmesser
größer ist als der Außendurchmesser einer auf dem Kolbenendabschnitt 4 angebrachten
Abstandshülse 9, so daß dieser Kolbenkörper 4 bezüglich der Kolbenstange in einem
gewissen Ausmaß radial beweglich ist.
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Die bereits erwähnte Hülse 9 legt den Abstand zwischen einer Saugventilplatte
7 und einer Begrenzungsplatte 8 fest.
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Die aus Saugventilplatte 7, Abstandshülse 9 und Begrenzungsplatte
8 bestehende Anordnung ist mittels einer auf das freie Ende der Kolbenstange auf
schraubbaren Mutter 10 in ihrer Lage eindeutig fixiert und gegen die sich an der
bbergangsstelle zwischen dem Endbereich der Kolbenstange 4 und der zum Antrieb führenden
Kolbenstange 5 ergebende Schulter gespannt.
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Die Begrenzungsplatte 8 ist im Bereich ihres Außenumfangs mit einer
Mehrzahl von Durchlaßöffnungen 11 versehen.
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Ein ringförmiges Führungselement 12 mit besonders guten Gleit- und
kleinstmöglichen Verschleißeigenschaften ist in einer Umfangsnut 13 des Kolbenkörpers
2 angeordnet und erstreckt sich bis an die Zylinderinnenwand. Zwischen, der Dichtlippe
14 der Manschette 3 und dem in dem dargestellten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1
unmittelbar an die rückwärtige Stirnfläche der Dichtmanschette 3 angrenzenden Bührungselement
12 ist eine Ringkammer 15 ausgebildet, die hinsichtlich
der von
der Manschette 3 erbrachten Dichtungsfunktion und der vom Führungselement 12 erbrachten
Führungsfunktion als Entkopplungskammer wirkt, d.h., daß die in der Kolbenumfangsnut
16 angeordnete Dichtungsmanschette 3 praktisch keine Ab stütz-und Führungsfunktion
hinsichtlich des Zusammenwirkens von Kolbenkörper 2 und Zylinder 1 übernehmen muß,
und auf diese Weise auch sichergestellt werden kann, daß die Dichtuhntgsmanschette
3 ncht insbesondere bei mittleren und hohen Drucken in den Spalt zwischen Kolbenkörper
2 und Zylinder 3 gepreßt werden kann. Die gefürchtete Spaltextrusion wird demgemäß
ausgeschaltet.
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Bei der Darstellung nach Fig. 1 befindet sich der Kolbenkörper 2 in
Anlage an der Saugventilplatte 7, d.h. daß der Saugraum 17 vom Druckraum 18 getrennt
ist und sich die Kolbenstange 4,5 zusammen mit dem Kolbenkörper 2 in der Zeichnung
nach links bewegt.
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Da das Führungselement 12 derart dimensioniert und hinsichtlich seiner
Materialeigenschaften so gewählt ist, daß die durch das Führungselement erzeugbare
radiale Stellkraft größer ist als die zwischen der Saugventilplatte 4 und dem Kolbenkörper
2 auftretende Reibkraft, kann sichergestellt werden, daß sich der Kolbenkörper 2
auch bei gegebenenfalls vorhandenen Fluchtungsfehlern einwandfrei entsprechend der
Zylinderachse bewegt und damit keine Gefahr eines unmittelbaren Berührungskontaktes
zwischen Kolbenkörper 2 und Zylinderinnenwand auftritt.
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Falls sich in dem Ringraum 15 zwischen der Dichtlippe 14 und dem Führungselement
in dem jeweiligen Anwendungsfalle ein zu hoher Druck aufbauen sollte oder eine zu
hohe Flüssigkeitstemperatur entstehen könnte, wird bevorzugt wenigstens eine Verbindung
zwischen der Ringkammer 15 und dem Saugraum 17 hergestellt. Diese Verbindung wird
beispielsweise im Balle der Verwendung eines geschlitzten Ringes schon durch diesen
Schlitz gewährleistet, aber es können auch an der Außenumfangsfläche des Ringes
12 in Axialrichtung verlaufende Ausnehmungen vorgesehen werden.
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Die Ausführungsform nach Fig. 2 unterscheidet sich von der Ausführungsform
nach Fig. 1 im wesentlichen nur dadurch, daß für das Führungselement 12 eine eigene
Umfangsnut im Kolbenkörper 2 vorgesehen ist, die bezüglich der Nut 16 für die Dichtungsmanschette
einen geringen axialen Abstand aufweist.
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Zwischen dem Boden der Nut 19 und dem ringförmigen Führungselement
befindet sich ein elastisches Nachstellelement 20, das das Führungselement 12 mit
einer vorgebbaren Vorspannung gegen die Innenwandung des Zylinders 1 drückt, bzw.
das Führungselement 12 im Falle des Auftretens von Verschleiß radial nachstellt.
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Auch bei dieser Ausführungsform steht die Ringkammer 15 bevorzugt
mit dem Saugraum 17 über wenigstens eine Durchlaßöffnung in Verbindung, so daß vor
allem beim Pumpen von Wasser das Auftreten unerwünscht hoher Flüssigkeitstemperaturen
in diesem Ringraum 15 vermieden werden kann. Der Flüssigkeitsaustausch zwischen
Ringraum 15 und Saugseite 17 kommt dabei dadurch zustande, daß sich der Ringraum
bei Druckbeaufschlagung des Kolbens verkleinert und beim Saugvorgang vergrößert.
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Dabei wird jedoch bevorzugt die Gesamtquerschnittsfläche der Durchtrittsöffnungen
zwischen Ringraum 15 und Saugraum 17 so bemessen, daß der sich während des Betriebs
im Ringraum 15 aufbauende Druck einem Eindringen der Dichtungsmanschette in den
Spalt zwischen Kolbenkörper und Zylinderinnenwand, bzw.
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zwischen Führungselement 12 und Zylinderinnenwand entgegenwirkt und
damit jegliche Spaltextrusion verhindert.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 wird als Führungselement ein im
Querschnitt im wesentlichen U-förmiger Ring verwendet, dessen achsparalleler Teil
22 sich im wesentlichen über die ganze Länge des der Zylinderwandung gegenüberliegenden
Außenbereichs des Kolbenkörpers 2 erstreckt und dessen in Radialrichtung verlauf
ender Teil 21 in eine Kolbenkörpernut 19 eingreift. Das Führungselement 21, 22 ist
dabei wiederum mittels
eines elastischen Ringelementes 20 radial
etwas vorgespannt.
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Die auf der Seite des Druckraumes 18 gelegene Stirnfläche des Führungselementes
21, 22 liegt mit einem Teilbereich unmittelbar an der Rückseite der Dichtungsmanschette
3 an, und es ist auch in diesem Falle zwischen der Dichtungsmanschette und dem Führungselement
ein Entkopplungs-Ringraum 15 vorgesehen, der eine trennung von Dichtfunktion und
Führungsfunktion gewährleistet und bevorzugt über wenigstens eine Durchlaßöffnung
mit dem Saugraum 17 in Verbindung steht.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 ist eine Dichtungsmanschette 3
in Kombination mit einem Führungselement 12 verwendet, das druckraumseitig an seinem
radial äußeren Bereich mit einem Manschetten-Stützansatz 23 versehen und insgesamt
zumindest weitgehend der Manschettenform angepaßt ist.
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Zwischen dem Dichtlippenteil der Manschette und dem Stützansatz 23
des Führungselements 12 ist wiederum eine Entkopplungs-Ringkammer 15 vorgesehen,
die zweckmäßigerweise mit der Saugraumseite in Verbindung steht.
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Diese Kombination von Dichtungsmanschette und formmäßig angepaßtem
Führungselement erbringt neben der funktionellen Trennung von Dichtung und Führung
zusätzlich den Vorteil einer insbesondere bei hohen Drücken günstigen formerhaltenden
Abstützung der Dichtungsmanschette, die sich in einer Erhöhung der Dichtwrkung und
Lebensdauer auswirkt.
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- Patentansprüche -
L e e r s e i t e