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Die Erfindung betrifft eine Radialkolbenpumpe
nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren
zum Fördern
eines Druckmediums nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 16 – bekannt
durch die
DE-A 101
21 674 der Anmelderin.
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Durch die
DE-A 101 21 674 wurde eine
Radialkolbenpumpe mit einem Pumpengehäuse bekannt, welches sternförmig um
eine Rotationsachse angeordnete Zylinderbohrungen aufweist, in welchen radial
gleitende Kolben aufgenommen sind. Die Zylinderbohrungen sind nach
außen
durch Zylinderdeckel verschlossen, in welchen jeweils ein als Federbandventil
ausgebildetes Auslassventil angeordnet ist. Eine Einlassöffnung in
Form eines Einlassfensters ist seitlich in der Zylinderwand angeordnet.
Die Kolben stützen
sich nach innen mit ihrer Stirnfläche an einem Exzenter und nach
außen über eine
Druckfeder an dem Zylinderdeckel ab. Der Antrieb für den Kolbenhub
erfolgt über
den Exzenter. Jeder Zylinder weist also nur ein Auslassventil auf,
aus welchem das auf ein bestimmtes Druckniveau verdichtete Fördermedium
austritt und in einen Druckkreis gefördert wird. Bei Automatikgetrieben,
insbesondere für
Kraftfahrzeuge besteht ein Druckölbedarf
für einen
Hochdruck- und einen Niederdruckstrom, die beide in etwa konstant über der
Drehzahl verlaufen sollten. Dieser Bedarf kann von der bekannten
Radialkolbenpumpe nicht befriedigt werden, da sie nur einen Förderstrom mit
einem Druckniveau fördert.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Radialkolbenpumpe bzw. ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend
zu verbessern, dass Förderströme mit unterschiedlichem
Druckniveau, z. B. Hochdruck und Niederdruck erzeugt werden können.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt
durch die Merkmale des Patentanspruches 1 sowie durch die Merkmale
der Verfahrensansprüche
16 und 17. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung von
weiteren Auslassventilen bei mindestens einem Teil der Zylinder
ergibt sich die Möglichkeit
und der Vorteil, dass mit einer Radialkolbenpumpe durch eine einfache
Modifikation an den Zylindern mindestens ein weiterer Förderstrom
mit einem höheren
oder niedrigerem Druckniveau bei gleicher Drehzahl zur Verfügung steht.
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Nach einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung wird die Zahl der Zylinder bzw. Kolben in Gruppen
aufgeteilt, wobei jede Zylindergruppe Auslassventile für ein bestimmtes
Druckniveau aufweist, sodass jede Zylinder/Kolbengruppe einen Förderstrom
mit einem bestimmten Druckniveau erzeugt. Bei gleichem Bedarf von
Hochdruck und Niederdruck würde
beispielsweise eine Radialkolbenpumpe mit acht Zylindern in zwei
Gruppen à vier
Zylinder aufgeteilt, wobei die erste Gruppe nur Auslassventile für den Hochdruck
und die zweite Gruppe nur Auslassventile für den Niederdruck aufweist.
Jede Zylinder/Kolbengruppe fördert
in einen eigenen Druckkanal, einen Hochdruck- und einen Niederdruckkanal.
Somit würde
man aus einer Acht-Zylinderpumpe zwei ineinander gebaute Vier-Zylinderpumpen
mit unterschiedlichem Druckniveau erhalten. Eine solche Maßnahme reduziert die
Kosten und den Energieverbrauch.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der
Erfindung weisen die Zylinder unterschiedlichen Drucks dieselbe
Teilung auf, d. h. es wechseln in Umfangsrichtung Zylinder mit höherem und
niedrigerem Druck. Dadurch werden – im Vergleich zu einer Anordnung
der Zylinder gleichen Druckes in Blöcken – die Geräusche reduziert und die Laufruhe
verbessert, d. h. es treten keine Störungen erster Ordnung auf.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung
können
die Auslassventile sowohl seitlich am Zylindermantel als auch am
Zylinderdeckel angeordnet sein, d. h. mit einer axialen oder radialen
Abströmrichtung des
Fördermediums.
Bei axialer Abströmrichtung und
beispielsweise zwei Gruppen, eine für Hochdruck und eine für Niederdruck,
ist es vorteilhaft, ein Auslassventil links für den Hochdruck und ein Auslassventil
rechts für
den Niederdruck (oder umgekehrt) am Zylindermantel anzuordnen. Vorteilhaft wäre jedoch
auch, die Anordnung der Auslassventile so vorzunehmen, dass sich
einerseits eine axiale und andererseits eine radiale Abströmung des
Fördermediums
ergäben.
Entscheidend dabei ist, dass sich die Förderströme der Auslassventile mit gleichem
Druckniveau in einem gemeinsamen Druckkanal vereinigen lassen.
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Bei höherer Zylinderzahl ist es auch
möglich und
vorteilhaft, die Zylinder/Kolben zu mehr als zwei Gruppen, z. B.
drei oder vier zusammenzufassen, sodass drei oder vier Ströme mit unterschiedlichem Druckniveau
gefördert
werden können.
Andererseits können
Gruppen gleichen Druckniveaus stufenweise zu- oder abgeschaltet
werden, um die Förderlinie
der Pumpe (den Durchsatz) zu verändern.
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Nach einer zweiten grundsätzlichen
Ausgestaltung der Erfindung weist jeder Zylinder mindestens ein
weiteres Auslassventil für
ein weiteres Druckniveau auf, also beispielsweise ein Niederdruck-
und ein Hochdruck-Auslassventil.
Die Auslassventile gleichen Öffnungsdruckes
sind jeweils durch einen gemeinsamen Auslassdruckkanal verbunden.
Somit fördert
jeder Zylinder einen Teilstrom für
Niederdruck und einen Teilstrom für Hochdruck, wobei jeder Zylinder
also bereits nach einem Teilhub der Kolben „angezapft" wird. Durch den stufenweisen Druckanstieg
verringert sich der Druckgradient und damit die Geräuschanregung.
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In vorteilhafter Weiterbildung der
Erfindung können
jedoch auch drei Ventile an einem Zylinder vorgesehen sein, z. B.
zwei mit axialer und eines mit radialer Abströmung, sodass jeder Zylinder über diese
drei Auslassventile drei Förderströme erzeugen würde. Die
Auslassventile sind radial gegeneinander versetzt, somit steigt
das Druckniveau von innen nach außen.
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In vorteilhafter Weiterbildung sind
die Auslassventile als Rückschlagventile
ausgebildet, die automatisch arbeiten. Hierfür sind bei einer axialen Abströmung so
genannte Ringscheibenventile vorteilhaft, während bei einer radialen Abströmung so
genannte Bandfederventile von Vorteil sind. Noch vorteilhafter sind
allerdings – sowohl
für axiale
als auch für
radiale Abströmung – Einzelventile,
d. h. ein Ventil pro Zylinder.
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Die Aufgabe der Erfindung wird auch
durch die Merkmale der Verfahrensansprüche 16 und 17 gelöst, wobei
nach einer ersten Variante die Zylinder/Kolben zu Gruppen zusammengefasst
werden und jede Gruppe ihren eigenen Teilstrom mit eigenem Druckniveau
fördert.
Dieser Aspekt der Erfindung geht über die zuvor erwähnten konstruktiven Gestaltungen
hinaus, wobei sich eine vorteilhafte Ausgestaltung dadurch ergibt,
dass jeder Teilstrom nach Bedarf zu- oder abgeschaltet werden kann,
also entweder nur Niederdruck oder nur Hochdruck oder beides. Vorteilhaft
können
natürlich
auch drei oder vier Gruppen mit drei oder vier Teilströmen sein,
die ebenfalls in beliebiger Kombination abrufbar sind.
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Nach einer zweiten erfindungsgemäßen Verfahrensvariante
sind alle Zylinder an der Erzeugung von Teilströmen unterschiedlichen Druckniveaus
beteiligt, d. h. jeder Zylinder schiebt jeweils nach einem Teilhub
einen Teilstrom mit einem ersten Druckniveau aus, d. h. den Teilstrom
mit dem niedrigsten Druckniveau. Nach dem ersten Teilhub erfolgt
ein weiterer Teilhub oder der Resthub, nach dem der zweite Teilstrom
mit einem erhöhten
Druckniveau ausgeschoben wird. Jeder Zylinder fördert somit stufenweise einen
ersten, zweiten oder weiteren Teilstrom mit jeweils ansteigendem
Druckniveau. Teilströme
gleichen Druckniveaus werden nach dem Ausschieben vereinigt. Diese
Variante erscheint bei wenigen und größeren Zylindern vorteilhaft
und hat insofern bauliche Vorteile, als alle Zylinder gleich sind.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen
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1 eine
erste Ausführungsform
der Erfindung mit erster Zylindergruppe für Hochdruck und zweiter Zylindergruppe
für Niederdruck,
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2 eine
Ansicht in Achsrichtung mit einer Zusammenfassung von vier Zylindern
zu einer Hoch-Druckgruppe
und vier Zylindern zu einer Niederdruckgruppe,
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3 eine
zweite Ausführungsform
der Erfindung mit einer Radialkolbenpumpe mit zwei Auslassventilen
für axiale
und radiale Abströmrichtung und
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4 eine
Radialkolbenpumpe mit drei Auslassventilen.
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1 zeigt
in schematischer Darstellung in einem Axialschnitt zwei von mehreren,
z. B. acht sternförmig
um eine Rotationsachse 1 angeordneten Zylindern einer nicht
dargestellten Radialkolbenpumpe. Der obere Zylinder 2 und
der untere Zylinder 3 weisen jeweils einen Zylindermantel 2a, 3a sowie
einen Zylinderdeckel 2b, 3b auf. Innerhalb der
zur Achse 1 hin offenen Zylinder 2, 3 befinden
sich Zylinderbohrungen 2c, 3c, in welchen topfförmig ausgebildete
Kolben 4, 5, gleitend in radialer Richtung, aufgenommen
sind. Die Kolben 4, 5 weisen jeweils eine Stirnfläche 4a, 5a auf,
die sich gegen die Umfangsfläche
eines um die Rotationsachse 1 rotierenden Exzenters 6 abstützen. Die
Kolben 4, 5 werden durch nicht dargestellte Druckfedern
an den Exzenter 6 gedrückt.
Infolge der Rotation des Exzenters 6 führen die Kolben 4, 5 eine
Radialbewegung nach außen und
nach innen aus. Die Zylinder 2, 3 weisen in einem
radial relativ nahe zur Achse liegenden Bereich jeweils eine Einlassöffnung 7, 8 auf,
durch welche ein Fördermedium,
z. B. Drucköl
ansaugbar ist. Der Zylinder 2 weist in einem radial außen liegenden
Bereich ein Auslassventil 9 mit einer Ventilöffnung 9a auf,
und zwar in der Zeichnung gesehen, auf der rechten Seite des Zylinders 2.
Der Zylinder 3 weist auf seiner, in der Zeichnung gesehen,
linken Seite, radial etwa auf gleicher Höhe wie beim Zylinder 2 ein Auslassventil 10 mit
einer Ventilöffnung 10a auf.
Beide Ventile 9, 10 werden jeweils durch eine
umlaufende Ringscheibe 11, 12 gebildet, die die
Ventilöffnungen 9a, 10a verschließen und
die durch nicht dargestellte Federn belastet sind. Insofern sind
beide Ventile 9, 10 als Rückschlagventile ausgebildet,
die aufgrund des in den Zylindern herrschenden Druckes nach außen öffnen. Das
Ventil 9 ist als Hochdruckventil ausgebildet und öffnet in
einen nicht dargestellten Hochdruckkanal, und das links angeordnete
Ventil 10 ist als Niederdruckventil ausgebildet und öffnet in
einen nicht dargestellten Niederdruckkanal. Die nicht dargestellte
Radialkolbenpumpe besteht zu einer Hälfte aus dem Zylindertyp 2,
dem Hochdruckzylinder, und zu der anderen Hälfte aus dem Zylindertyp 3,
dem Niederdruckzylinder. Bei einer Gesamtzylinderzahl von acht weist
diese Radialkolbenpumpe also zwei Gruppen von jeweils vier Zylindern
auf, wobei aus Gründen
der Kraftverteilung sowie der Geräuschentstehung beide Zylindertypen 2, 3 dieselbe Teilung,
bei acht Zylindern also 90 Grad, aufweisen sollten. Die Hochdruck-
und Niederdruckzylinder 2, 3 sind also in Umfangsrichtung
jeweils nebeneinander angeordnet, wobei alle Hochdruckzylinder 2 nach rechts
in den nicht dargestellten Hochdruckkanal und alle vier Niederdruckzylinder 3 in
den nicht dargestellten Niederdruckkanal fördern.
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In der Zeichnung ist der untere Kolben 5 nach
seiner unteren Totpunktstellung dargestellt, d. h. er befindet sich
bereits in der „Aufwärts"bewegung (in der
Zeichnung abwärts)
des Förderhubes.
Der Zylinder 3 ist bereits mit dem Fördermedium gefüllt, welches
durch die Ansaugöffnung 8 im
Ansaughub angesaugt wurde. Die Oberkante 5b des Kol bens 5 hat bereits
die Ansaugöffnung 8 passiert,
sodass das Fördermedium
komprimiert wird. Bei Erreichen eines vorgewählten Niederdruckniveaus öffnet das
Niederdruckventil 10, sodass das komprimierte Fördermedium
durch die Ventilöffnung 10a ausgeschoben
wird. Der Kolben 4 des Zylinders 2 ist vor seiner
oberen Totpunktstellung dargestellt, d. h. der Kolben 4 befindet
sich noch in seiner Aufwärtsbewegung,
d. h. in Richtung oberer Totpunkt. Wie bereits erwähnt, ist das
Ventil 9 als Hochdruckventil ausgebildet, d. h. es öffnet bei
Erreichen eines vorgewählten
Hochdruckniveaus im Zylinder 2, sodass das komprimierte
Fördermedium
durch die Ventilöffnung 9a nach
rechts ausgeschoben wird. Der Zylinder 2 ist also ein Hochdruckzylinder,
mit dem ein Hochdruck-Förderstrom erzeugt
wird. Der Zylinder 3 ist ein Niederdruckzylinder, mit dem
ein Niederdruck-Förderstrom
erzeugt wird. Beide Förderströme werden
parallel zueinander bei gleicher Drehzahl der Antriebswelle des
Exzenters 6 gefördert.
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2 zeigt
eine schematische Ansicht einer Radialkolbenpumpe 20 in
Richtung einer Rotationsachse 21, die als Mittelpunkt MA
erscheint. Acht Zylinder sind mit gleicher Teilung von 45 Grad sternförmig um
die Rotationsachse 1 angeordnet, wobei vier Zylinder 22 als
Niederdruckzylinder zu einer Gruppe und die anderen vier Zylinder
als Hochdruckzylinder 23 zu einer zweiten Gruppe zusammengefasst
sind. Die Niederdruckzylinder 22 und die Hochdruckzylinder 23 sind
jeweils nebeneinander angeordnet und bilden einen Block über einen
Umfangswinkel von 135 Grad. Die Niederdruckzylinder 22 weisen
jeweils in ihrem Zylinderdeckel ein Niederdruckrückschlagventil 24 auf,
d. h. eine Abströmung
des Fördermediums
in radialer Richtung. Die vier Niederdruckauslassventile 24 sind
durch einen gemeinsamen Nie derdruckkanal 25 miteinander
verbunden, in welchen der Niederdruckteilstrom gefördert wird.
In analoger Weise sind die Hochdruckzylinder 23 jeweils
mit einem Hochdruckrückschlagventil 26 ausgestattet, welche
auslassseitig durch einen gemeinsamen Hochdruckkanal 27 verbunden
sind. Die Austritte des Niederdruckstromes und des Hochdruckstromes
aus den Kanälen 25, 27 sind
durch die Pfeile ND und HD symbolisch dargestellt.
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Nicht dargestellte Kolben gleiten
in den Zylindern 22, 23 und werden – wie oben
erwähnt – durch einen
Exzenter 28 mit dem Mittelpunkt ME und der Exzentrizität e angetrieben.
Jeder Zylinder 22, 23 weist in einem radial innen
liegenden Bereich eine Einlassöffnung 29 in
Form eines sich in Umfangsrichtung erstreckenden Schlitzes auf.
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3 zeigt
eine zweite Variante der Erfindung, nämlich einen so genannten Stufenzylinder 30 mit
einem Niederdruckauslassventil 31 und einem Hochdruckauslassventil 32.
Der Zylinder 30 weist einen Zylindermantel 30a mit
einer Zylinderbohrung 30b und einem Zylinderdeckel 30c auf.
In der Zylinderbohrung 30b ist ein topfförmig ausgebildeter
Kolben 33 mit einer Oberkante 33a gleitend aufgenommen,
der von einem nicht dargestellten Exzenter angetrieben wird. Der
Zylindermantel 30a weist auf seiner in der Zeichnung linken
Seite einen in axialer Richtung verlaufenden Auslass 34 auf,
der in einen Auslass- oder Niederdruckkanal 35 mündet, in
welchem das Niederdruckventil 31 angeordnet ist. Letzteres
ist als Rückschlagventil,
z. B. mit einer Ringscheibe 31a und einer Druckfeder 31b ausgebildet. Im
Zylinderdeckel 30c ist ein Hochdruckauslass 36 für eine radiale
Abströmung
des Fördermediums
in einen umlaufenden Hochdruckkanal 37 angeordnet. Das
Rückschlagventil 32,
welches den Auslass 36 kontrolliert, kann als Bandfederventil
ausgebildet sein. Schließlich
weist der Zylinder 30 in seiner Zylinderwand 30a eine
Ansaugöffnung 38 mit
einer Oberkante 39 in Form eines Schlitzes auf, die – bei der
in der Zeichnung dargestellten Kolbenposition – bereits durch den Kolben
abgedeckt ist. Die nicht dargestellte Radialkolbenpumpe weist eine
Vielzahl, z. B. acht von sternförmig
angeordneten Zylindern auf, die jeweils als Stufenzylinder 30 mit
einem Niederdruckventil 31 und einem Hochdruckventil 32 bzw.
Niederdruckauslässen 34 und
Hochdruckauslässen 36 ausgebildet
sind. Die Niederdruckauslässe 34 sämtlicher Zylinder
sind durch den ringförmig
umlaufenden Niederdruckkanal 35 und die Hochdruckauslässe 36 durch
den Hochdruckringkanal 37 miteinander verbunden.
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Der Stufenzylinder 30 bzw.
die Radialkolbenpumpe mit den Stufenzylindern 30 arbeitet
wie folgt: sobald die Kolbenoberkante 33a die Oberkante 39 der
Einlassöffnung 38 passiert
hat, wird das im Zylinder 30 befindliche Fördervolumen
komprimiert. Bei Erreichen des vorgewählten Niederdruckes öffnet das
Niederdruckventil 31, und das Fördermedium wird über den
Auslass 34 in den Niederdruckkanal 35 ausgeschoben.
Nachdem die Oberkante 33a des Kolbens 33 den Niederdruckauslass 34 passiert
hat, wird das im Zylinder 30 verbliebene Fördermedium weiter
komprimiert, bis der vorgewählte
Hochdruck erreicht ist – dann öffnet das
Hochdruckventil 32, und das Fördermedium wird durch den Auslass 36 in
den Hochdruckringkanal 37 ausgeschoben. Damit werden mit
einer Zylinder/Kolbeneinheit 30/33 zwei Teilströme mit Niederdruckniveau
und Hochdruckniveau gefördert.
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4 zeigt
eine weitere Ausführungsform
eines Stufenzylinders 40 mit drei Auslassventilen, einem
Nieder druckauslassventil 41 (axiale Abströmung), einem
Mitteldruckauslassventil 42 (axiale Abströmung) und
einem Hochdruckauslassventil 43 (radiale Abströmung). In
einer Zylinderbohrung 40a ist ein Kolben 44 gleitend
aufgenommen, dessen Stirnfläche 44a von
einem Exzenter 45 in eine auf- und niedergehende Hubbewegung
versetzt wird. Der Exzenter 45 weist eine Exzentrizität e auf
und rotiert um eine Achse 46. Der Zylinder 40 weist
eine Ansaugöffnung 49 auf,
die mit einer Ansaugleitung 50 verbunden ist. Der Querschnitt
der Ansaugleitung 50 kann durch eine Drossel 47 verengt
werden (so genannte Saugdrosselung). Die Auslassventile 41, 42, 43 sind über Leitungen 41a, 42a, 43a mit
einer Ventilsteuereinheit 48 zur Steuerung der Teilströme des Fördermediums
verbunden. Auf diese Weise ist es möglich, die einzelnen Teilströme je nach
Bedarf zu- oder abzuschalten.
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- 1
- Rotationsachse
- 2
- Hochdruckzylinder
- 3
- Niederdruckzylinder
- 4
- Kolben
- 4a
- Stirnfläche Kolben
- 5
- Kolben
- 5a
- Stirnfläche Kolben
- 6
- Exzenter
- 7
- Einlassöffnung
- 8
- Einlassöffnung
- 9
- Hochdruckauslassventil
- 9a
- Hochdruckauslass
- 10
- Niederdruckauslassventil
- 10a
- Niederdruckauslass
- 11
- Ringscheibe
für Hochdruckventil
- 10
- Ringscheibe
für Niederdruckventil
- 20
- Radialkolbenpumpe
- 21
- Rotationsachse
- 22
- Niederdruckkolben
- 23
- Hochdruckkolben
- 24
- Niederdruckventil
- 25
- Niederdruckkanal
- 26
- Hochdruckventil
- 27
- Hochdruckkanal
- 28
- Exzenter
- 29
- Einlassschlitz
- 30
- Stufenzylinder
- 30a
- Zylindermantel
- 30b
- Zylinderbohrung
- 30c
- Zylinderdeckel
- 31
- Niederdruckauslassventil
- 32
- Hochdruckauslassventil
- 33
- Kolben
- 33a
- Oberkante,
Kolben
- 34
- Niederdruckauslass
- 35
- Niederdruckkanal
- 36
- Hochdruckauslass
- 37
- Hochdruckkanal
- 38
- Einlassöffnung
- 39
- Oberkante,
Einlass
- 40
- Stufenzylinder
- 40a
- Zylinderbohrung
- 41
- Niederdruckventil
- 41a
- Niederdruckleitung
- 42
- Mitteldruckventil
- 42a
- Mitteldruckleitung
- 43
- Hochdruckventil
- 43a
- Hochdruckleitung
- 44
- Kolben
- 44a
- Stirnfläche Kolben
- 45
- Exzenter
- 46
- Rotationsachse
- 47
- Drossel
- 48
- Steuerventileinheit
- 49
- Ansaugöffnung
- 50
- Ansaugleitung