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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine,
insbesondere eine Axialkolbenpumpe oder einen Axialkolbenhydromotor,
mit einem Gehäuse, mit
einer im Gehäuse
gelagerten Antriebswelle, mit mindestens einem Pumpenelement, wobei
das mindestens eine Pumpenelement von der Antriebswelle betätigt wird
und je eine Saugseite und eine Hochdruckseite aufweist, und wobei
eine Drehachse der Antriebswelle und eine Längsachse des mindestens einen
Pumpenelements parallel verlaufen.
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Solche Axialkolbenmaschinen sind
entweder als Hydromotoren oder als hydraulische Pumpen seit langem
bekannt. Nachteilig an diesen Axialkolbenmaschinen ist, dass ihre
Fördermenge
im Pumpenbetrieb nur durch eine Änderung
der Drehzahl geregelt werden kann. Bei vielen Anwendungen, wie z.
B. als Einspritzpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems für Brennkraftmaschinen – ist jedoch
die Antriebsdrehzahl vorgegeben, so dass sich die Fördermenge nicht
regeln lässt.
Um diesen Nachteil auszugleichen, ist es aus der
DE 195 30 507 A1 bekannt,
den Kolbenhub der Pumpenelemente konstant zu lassen und in den Zylindern
eine Überströmöffnung vorzusehen. Über eine
verschiebbare Hülse
kann die Überströmöffnung auf-
oder zugesteuert werden, so dass eine Regelung der Fördermenge
bei konstanter Drehzahl möglich
wird.
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Aus der
DE 195 23 282 A1 ist es
bekannt, eine Taumelscheibe, welche von der Antriebswelle angetrieben
wird, schwenkbar auszugestalten, so dass der Kolbenhub verändert werden
kann und somit die Fördermenge
der Axialkolbenpumpe bei konstanter Drehzahl einstellbar ist. Diese
Konstruktion ist sehr aufwendig und ist für größte Förderhöhen von bis zu 2000 bar nur
bedingt geeignet.
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Erfindungsgemäß wird bei einer Axialkolbenmaschine,
insbesondere einer Axialkolbenpumpe oder einem Axialkolbenhydromotor,
mit einem Gehäuse,
mit einer im Gehäuse
gelagerten Antriebswelle, mit mindestens einem Pumpenelement, wobei das
mindestens eine Pumpenelement von der Antriebswelle betätigt wird
und je eine Saugseite und eine Hochdruckseite aufweist, die Fördermenge
bei konstanter Drehzahl dadurch einstellbar, dass je Pumpenelement
ein drehbar gelagerter Umlenkhebel vorgesehen ist, dass der Umlenkhebel
eine zu seiner Drehachse und einer Längsachse des zugehörigen Pumpenelements
um einen Winkel α kleiner
90° geneigte
Steuerfläche
aufweist, dass die Antriebswelle einen exzentrischen Abschnitt aufweist,
dass der exzentrische Abschnitt den Umlenkhebel in eine oszillierende
Bewegung versetzt, und dass die Steuerfläche das mindestens eine Pumpenelement
betätigt.
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Vorteile der
Erfindung
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Bei dieser Axialkolbenmaschine wird
die Umlenkung der Drehbewegung der Antriebswelle in eine oszillierende
Bewegung auf eine einfache und extrem belastbare Weise vorgenommen.
Durch einfaches Austauschen der Umlenkhebel kann der Förderhub
der Pumpenelemente eingestellt werden, ohne dass weitere Änderungen
an der Axialkolbenmaschine erforderlich wären. Dies bedeutet, dass die erfindungsgemäße Axialkolbenpumpe
auf einfachste Weise an unterschiedlichste Anforderungen hinsichtlich
Fördermenge
und Förderhöhe adaptiert
werden kann. Die erfindungsgemäße Umlenkung
der Drehbewegung der Antriebswelle in eine oszillierende Bewegung
zum Antrieb des oder der Pumpenelemente ist sehr einfach im Aufbau
und äußerst robust,
so dass auch große
Förderhöhen, wie
sie beispielsweise bei Kraftstoffeinspritzsystemen erforderlich
sind, mit der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine ohne
weiteres bereitgestellt werden können.
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Bei einer besonders kompakt bauenden
und einfach herzustellenden Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschineverlaufen
die Drehachse der Antriebswelle und die Längsachse des mindestens einen
Pumpenelements parallel verlaufen und verläuft die Drehachse des Umlenkhebels parallel
zu der Drehachse der Antriebswelle.
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Bei einer weiteren Ergänzung der
Erfindung ist vorgesehen, dass der oder die Umlenkhebel auf einem
konzentrisch zur Längsachse
der Antriebswelle angeordneten Verstellring drehbar gelagert sind, und
dass der Verstellring relativ zu dem mindestens einen Pumpenelement
verdrehbar ist. Dadurch kann bei konstanter Drehzahl die Fördermenge
der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine über einen weiten Bereich
eingestellt werden, indem der Verstellring relativ zu dem mindestens
einen Pumpenelement verdreht wird. Diese Art der Fördermengenregulierung
zeichnet sich durch eine sehr einfache Geometrie aus. Sie ist, da
die Kraftübertragung
zwischen dem exzentrischen Abschnitt der Antriebswelle und dem Umlenkhebel
einerseits sowie dem Umlenkhebel und dem Pumpenelement andererseits
linienförmig
oder sogar flächig
erfolgt, sehr belastbar.
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Der Verstellring kann ohne Probleme
in dem Gehäuse
mittels eines Gleit- oder Wälzlagers
gelagert werden, so dass auch diese Lagerung extrem belastbar ist
und eine hohe Lebensdauer hat. Durch das Verdrehen des Verstellrings
kann die Fördermengenregelung
kontinuierlich und über
einen weiten Verstellbereich erfolgen.
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Wenn die Längsachse des mindestens einen Pumpenelements
und die Drehachse des mindestens einen Umlenkhebels den gleichen
radialen Abstand von der Längsachse
der Antriebswelle haben, kann eine Nullförderung eingestellt werden,
wenn der Verstellring so weit verdreht wird, bis die Drehachse der
Lagerung der Umlenkhebel und die Längsachse des mindestens einen
Pumpenelements zur Deckung gelangen. Dies bedeutet, dass in dieser
Position des Vertellrings die Pumpenelemente keinen Hub haben und
somit auch nicht fördern.
Somit kann die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine,
wenn sie nicht benötigt
wird, leer mitlaufen, ohne nennenswerte Reibungs- oder Dissipationsverluste
zu erzeugen.
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Bei einer einfach herzustellenden
und trotzdem sehr belastbaren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine
sind die Steuerflächen
der Umlenkhebel als ebene Fläche
ausgebildet.
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Die Belastbarkeit der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine
und deren Lebensdauer werden weiter gesteigert, wenn die Steuerfläche des mindestens
einen Umlenkhebels als Fläche
eines Zylinders ausgebildet ist, wenn die Längsachse des Zylinders um einen
Winkel α kleiner
90° zur
Längsachse
der Antriebswelle geneigt ist und wenn die Längsachse des Zylinders und
die Längsachse
der Antriebswelle sich schneiden. Bei dieser Geometrie der Steuerfläche ist
es möglich,
dass unabhängig
von der Stellung des Verstellrings und der radialen Lage des Umlenkhebels
stets ein flächiger
Kontakt zwischen dem Pumpenelement und dem Umlenkhebel vorhanden
ist, so dass die Kräfte
zwischen Umlenkhebel und Pumpenelementen auch bei höchsten Drücken nur
eine vergleichsweise niedrige Beanspruchung der Reibpaarung zwischen
Steuerfläche und
Pumpenelement verursachen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung
ist vorgesehen, dass jedes Pumpenelement einen Kolben, eine Zylinderbohrung
und einen Zylinderkopf aufweist, dass der Kolben in der Zylinderbohrung
oszilliert und einen Förderraum
begrenzt, dass auf der Saugseite ein erstes Rückschlagventil angeordnet ist und
dass auf der Hochdruckseite in zweites Rückschlagventil angeordnet ist.
Zur weiteren Erhöhung der
zulässigen
Förderhöhe und der
Lebensdauer ist vorgesehen, dass der Kolben des mindestens einen Pumpenelements
einen mit der Steuerfläche
zusammenwirkenden Gleitschuh aufweist. Dies ist besonders einfach
und wirkungsvoll möglich,
wenn die Steuerfläche
die zuvor beschriebene Geometrie in Form eines Zylinders aufweist,
da dann die flächige Verbindung
zwischen Gleitschuh und Steuerfläche
in allen Positionen des Verstellrings gewährleistet ist.
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Um die beim Verstellen des Verstellrings
auftretenden Winkeländerungen
zwischen dem Gleitschuh und der Steuerfläche ausgleichen zu können, ist
erfindungsgemäß weiter
vorgesehen, dass der Gleitschuh mittels eines Kugelgelenks an dem
Kolben befestigt ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine
hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das erste Rückschlagventil
in dem Kolben angeordnet ist, da sich dadurch eine sehr kompakte
Bauweise ergibt und eine Förderung
des aus einem Kraftstofftank angesaugten Kraftstoffs durch den erfindungsgemäßen Umlenkmechanismus
zu den Pumpenelementen stattfindet. Dadurch ist gewährleistet,
dass der erfindungsgemäße Umlenkmechanismus
stets mit kühlem
und frischem Kraftstoff geschmiert wird, was dessen Lebensdauer
weiter erhöht.
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Um stets sicherzustellen, dass die
Umlenkhebel an dem exzentrischen Abschnitt der Antriebswelle anliegen,
kann eine Anlegeinrichtung vorgesehen sein, welche die Umlenkhebel
gegen den exzentrischen Abschnitt der Antriebswelle drückt.
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Dabei ist es möglich, dass die Antriebsdrückeinrichtung
als Federring, der konzentrisch zur Antriebswelle angeordnet ist,
oder als Blattfeder oder als Spiralfeder ausgebildet ist.
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Um die von den Pumpenelementen auf
den Umlenkhebel gemäß den in
der Längsachse
der Pumpenelemente vorhandenen Kräfte bestmöglich aufnehmen zu können, ist
vorgesehen, dass zwischen Umlenkhebel und Verstellring ein Gleitlager oder
ein Wälzlager
ausgebildet ist.
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Die Belastbarkeit der Antriebswelle
wird weiter verbessert, wenn auf den exzentrischen Abschnitt ein
Ring drehbar gelagert ist und die Umlenkhebel über den Ring in eine oszillierende
Bewegung versetzt werden.
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Es ist besonders vorteilhaft, wenn
der Ring durch ein Wälzlager
auf dem exzentrischen Abschnitt drehbar gelagert ist, da diese Art
der Lagerung sehr belastbar ist und nur geringe Anforderungen an
die Schmierung hat. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der
Ring gleichzeitig der Außenring
eines handelsüblichen
Wälzlagers
ist.
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Die erfindungsgemäße Axialkolbenpumpe ist besonders
geeignet als Hochdruckpumpe für
ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere für ein Kraftstoff-Einspritzsystem mit
Common-Rail, für
Brennkraftmaschinen.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung und
deren Beschreibung entnehmbar.
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Zeichnung
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Es zeigen:
- 1: einen Längsschnitt
eines Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine;
- 2: einen Schnitt
entlang der Linie A-A durch das Ausführungsbeispiel in einer ersten
Position des Verstellrings; und
- 3: einen Schnitt
entlang der Linie A-A in einer zweiten Position des Verstellrings.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt
einen Längsschnitt
durch ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine.
Diese Axialkolbenmaschine kann beispielsweise als Kraftstoffhochdruckpumpe
für ein Kraftstoffeinspritzsystem
von Brennkraftmaschinen eingesetzt werden. Sie kann aber auch als
Hydromotor mit variablem Kolbenhub eingesetzt werden. Im Folgenden
wird stets von einer Verwendung als Pumpe ausgegangen, ohne dass
die Erfindung auf diese Verwendung beschränkt sein soll. Die Verwendung der
erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine
als Hydromotor liegt in Kenntnis der nachfolgend exemplarisch beschriebenen
Arbeitsweise einer erfindungsgemäßen Axialkolbenpumpe
auf der Hand, so dass sie keiner näheren Erläuterung bedürfen.
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In 1 ist
ein Gehäuse 1 mit
mehreren Pumpenelementen 3, von denen in 1 nur eines sichtbar ist, dargestellt.
Das Pumpenelement 3 besteht aus einer Zylinderbohrung 5,
in der ein Kolben 7 oszilliert. Der Kolben 7 ist
in 1 im Teilschnitt dargestellt.
Der Kolben 7 begrenzt zusammen mit der Zylinderbohrung 5 einen
Förderraum 9.
Im Kolben 7 ist ein erstes Rückschlagventil 11 angeordnet,
welches den Förderraum 9 hydraulisch
von einer Saugseite 13 des Pumpenelements 3 trennen
kann. Ein zweites Rückschlagventil 15 trennt
den Förderraum 9 während des
Saughubs des Kolbens 7 von einem Hochdruckkanal, nachfolgend
als Druckseite 17 bezeichnet. Die Druckseite 17 steht
mit einem nicht dargestellten Hochdruckanschluss der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine
in Verbindung.
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Im Gehäuse 1 ist eine Antriebswelle 19 drehbar
gelagert, wobei die Antriebswelle 19 einen exzentrischen
Abschnitt 21 aufweist. Auf dem exzentrischen Abschnitt 21 ist
ein Wälzlager 23 montiert,
an dessen Außenring 25 ein
drehbar gelagerter Umlenkhebel 27 anliegt. Die Lagerung
des Umlenkhebels 27 ist in 2,
welche einen Schnitt entlang der Linie A-A in 1 darstellt, deutlich zu erkennen. Der Drehpunkt
bzw. die Drehachse, um die der Umlenkhebel 27 drehbar ist,
ist in 2 mit 29 bezeichnet.
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Die Drehachse 29 des Umlenkhebels 27 dreht
sich nicht mit der Antriebswelle 19, so dass der exzentrische
Abschnitt 21 der Antriebswelle 19 bzw. der Außenring 25 bei
einer Umdrehung den Umlenkhebel 27 in eine oszillierende
Bewegung in Richtung eines in 2 dargestellten
Doppelpfeils 31 versetzt. In 1 ist
dieser Doppelpfeil 31 ebenfalls dargestellt.
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Wenn man nun wieder 1 betrachtet wird deutlich, dass durch
die oszillierende Bewegung des Umlenkhebels 27, angedeutet
durch den Doppelpfeil 31, der Kolben 7 ebenfalls
in eine oszillierende Bewegung in Richtung seiner Längsachse
versetzt wird. Dies geschieht dadurch, dass auf einer Steuerfläche 33 des
Umlenkhebels 27 ein Gleitschuh 35 aufliegt, der über einen
Kugelkopf 37 am Kolben 7 des Pumpenelements 3 befestigt
ist. Im Kolben 7 ist eine Druckfeder 39 vorgesehen,
welche sich einenends gegen den Kolben 7 und anderenends
gegen das Gehäuse 1 abstützt, so
dass sich der Kolben 7 bzw. der Gleitschuh 35 stets
in Anlage mit der Steuerfläche 33 des
Umlenkhebels 27 befindet.
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Anhand der 2 und 3 soll
nun die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Fördermengensteuerung näher erläutert werden.
Bei dem in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel
sind drei Pumpenelemente 3 vorhanden, von denen in 1 nur eines dargestellt
ist. Diese Pumpenelemente sind um 120° zueinander versetzt angeordnet. In
den 2 und 3 ist von den Pumpenelementen 3 nur
jeweils ein Schnitt durch den Kugelkopf 37 sowie eine Ansicht
von oben des Gleitschuhs 35 sichtbar.
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Die Umlenkhebel 27 sind
auf einem Verstellring 41 drehbar gelagert. Die Art der
Lagerung ist in 2 nicht
im Detail dargestellt, es sind lediglich die Drehachsen 29 angedeutet.
Der koaxial zur Antriebswelle 19 angeordnete Verstellring 41 kann,
ausgehend von der in 2 dargestellten
Position, so weit im Uhrzeigersinn verdreht werden, bis die Drehachse 29 des
Umlenkhebels mit der Längsachse 43 der Pumpenelemente
zusammenfällt.
Durch die Exzentrizität
der Antriebswelle 19 wird der Umlenkhebel 27 in
eine oszillierende Drehbewegung versetzt. Dabei ist die Größe der Drehbewegung
in radialer Richtung abhängig
vom Abstand zu der Drehachse 29. In 2 wurde versucht, diesen Zusammenhang
durch eine Schar radial angeordneter Doppelpfeile 31 unterschiedlicher
Länge zu
veranschaulichen.
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Wenn nun der Verstellring 41 aus
der in 2 dargestellten
Position im Uhrzeigersinn verdreht wird, wird der Hub der oszillierenden
Bewegung, welche der Umlenkhebel 27 an der Kontaktfläche zwischen
Gleitschuh 35 und Umlenkhebel 27 ausführt, kontinuierlich
geringer. Im Drehpunkt 29 findet dann lediglich eine geringfügige Drehung
um die Drehachse 29 statt. Wenn nun die Drehachse 29 des Umlenkhebels
zur Deckung mit der Längsachse 43 des
Pumpenelements 3 gebracht wird, findet kein Förderhub
des Pumpenelements 3 mehr statt, so dass eine Nullförderung
eingestellt wurde.
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Zwischen der in 2 dargestellten Stellung des Verstellrings 41 mit
maximalem Förderhub
und der in 3 dargestellten
Stellung des Verdrehrings, bei dem die Drehachse 29 und
die Längsachse 43 zusammenfallen,
ist eine kontinuierliche Fördermengenregelung
zwischen 100% und 0% der maximal möglichen Fördermenge möglich.
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Bei der erfindungsgemäßen Fördermengenregelung
ist ein einfacher Aufbau der Axialkolbenmaschine gewährleistet.
Außerdem
wird die Kraft vom Außenring 25 auf
die Umlenkhebel 27 entlang einer Berührungslinie übertragen,
was die Übertragung großer Kräfte und
eine lange Lebensdauer ermöglicht.
Da der Außenring 25 sich
nicht mitdreht, kommt es auch im Bereich der Kontaktfläche zwischen
Außenring 25 und
Umlenkhebel 27 nicht zu Reibungsverlusten.
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Die Steuerfläche 33 (s. 1) ist kann eben ausgeführt werden.
Alternativ kann sie auch gekrümmt
ausgeführt
werden und zwar so, dass die Steuerfläche 33 die Form eines
Zylinders hat, dessen Längsachse
radial auf die Drehachse 47 der Antriebswelle 19 gerichtet
ist.
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Wenn der Gleitschuh 35 eine
der Steuerfläche 33 entsprechende
Form – eben
oder gekrümmt – hat, kann
die Kraftübertragung
vom Umlenkhebel 27 auf den Gleitschuh 35 über die
gesamte Grundfläche des
Gleitschuhs 35 erfolgen, unabhängig von der Position des Verstellrings 41.
Dadurch ist auch in diesem Bereich eine sehr große Belastbarkeit der Kraftübertragung
gegeben, so dass die erfindungsgemäße Axialkolbenpumpe auch für höchste Drücke, wie sie
beispielsweise in Kraftstoffeinspritzsystemen gefordert werden,
einsetzbar ist. Die Umlenkhebel 27 liegen auf dem Verstellring 41 auf
und bilden mit ihm zusammen eine großflächig ausgebildete Gleitlagerung 49.
Der Verstellring 41 ist in radialer Richtung durch eine
Hülse 51 sowie
in axialer Richtung durch eine Scheibe 53 im Gehäuse 1 gelagert.
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Auch diese Gleitlagerung ist sehr
belastbar und für
hohe Lebensdauern geeignet.
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Das Pumpengehäuse 1 ist bei dem
dargestellten Ausführungsbeispiel
zweiteilig ausgeführt und
besteht aus einem ersten Gehäuseteil 1 1a sowie
einem zweiten als Drittel ausgeführten
Gehäuseteil 1b.
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Am Innendurchmesser des Verstellrings 41 ist
eine Verzahnung 55 angebracht, in die ein Ritzel 57 eingreift.
Das Ritzel 57 ist über
einen elektrischen Antrieb 59 antreibbar, so dass der Verstellring 41 durch
den elektrischen Antrieb verdreht werden kann.
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Der Winkel unter dem die Steuerfläche 33 die
Drehachse 47 der Antriebswelle 19 schneidet, ist in 1 mit α bezeichnet. Dieser Winkel muss
kleiner als 90° sein,
da nur dann die oszillierende Bewegung des Umlenkhebels 27 in
Richtung des Doppelpfeils 31 auch eine oszillierende Bewegung
des Kolbens 7 in Richtung der Längsachse 43 des Pumpenelements
zur Folge hat.
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Um sicherzustellen, dass die Umlenkhebel 27 sich
stets in Anlage an dem Außenring 25 befinden,
ist ein Federring 61 vorgesehen. Der Federring 61 ist
konzentrisch zu dem Verstellring 41 und der Antriebswelle 19 angeordnet
und weist im entspannten Zustand je Umlenkhebel 27 eine
Einbuchtung 63 nach innen auf. In 2 sind nur zwei dieser Einbuchtungen 63 sichtbar,
da der sich in 2 oben befindliche
Umlenkhebel 27 die zugehörige Einbuchtung nahezu vollständig nach
außen
drückt.
Dieser Federring 61 hält
somit die Umlenkhebel 27 stets in Anlage zu dem Außenring 25.
Damit der Federring 61 sich nicht während des Betriebs verdrehen
kann, ist er durch mehrere Stifte 65 im Gehäuse fixiert.
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Anstelle des Federrings 61 kann
selbstverständlich
auch eine Blattfeder die Umlenkhebel 27 oder eine als Spiralfeder
ausgebildete Druckfeder (beide nicht dargestellt) vorgesehen werden.
In 3 ist der Verstellring 41 so
weit in Richtung des Uhrzeigersinns verdreht gegenüber der
in 2 dargestellten Position,
dass die Drehachse 29 der Umlenkhebel 27 und die
Längsachse 43 der
Pumpenelemente zusammenfallen. Da der Umlenkhebel im Drehpunkt 29 keine
oszillierende Bewegung ausführt,
ist auch der Hub der Pumpenelemente 3 bei dieser Position
des Verstellrings 41 gleich Null, so dass die Fördermenge
ebenfalls Null ist. Aus Gründen
der Übersichtlichkeit
sind in 3 nicht alle
in 2 bezeichneten Bauteile
mit Bezugszeichen versehen.
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Bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel
verlaufen die Drehachse 47 der Antriebswelle 19 und
die Längsachse 43 des
mindestens einen Pumpenelements 3 parallel und verläuft die
Drehachse 29 des Umlenkhebels 27 parallel zu der
Drehachse 47 der Antriebswelle 19. Die Erfindung
ist jedoch nicht auf diese Anordnung beschränkt.