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Einrichtung zum Verändern der Fördermenge von Hochdruck Axialkolbenpumpen
durch stufenweises Abschalten von Förderkolben Die Erfindung betrifft eine Einrichtung
zum Verändern der Fördermenge von Hochdruck-Axialkolbenpumpen durch selbsttätiges,
druckabhängiges und stufenweises Abschalten von einzelnen oder gruppenweise zusammengefaßten
Förderkolben mittels eines Differentialkolbens, der vom Förderdruck und von einem
Gegendruck beaufschlagt ist.
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Die stufenweise Abschaltung bei Hochdruckpumpen hat gegenüber der
stufenlosen Bauart den wesentlichen Vorteil, daß die Belastung des die Taumel- oder
Schrägscheibe abstützenden Drucklagers mit steigendem Förderdruck nicht zunimmt,
sondern annähernd gleich gehalten werden kann. Derartige Pumpen können daher beliebig
lange Zeit mit Höchstdruck betrieben werden. Die bekannten Bauarten von Pumpen mit
stufenweiser Abschaltung sind mit einem federbelasteten Regelorgan zur Bewirkung
der Abschaltung ausgerüstet.
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Stufenpumpen haben auch bei Höchstdruck noch eine bestimmte Fördermenge,
die größer sein muß als die Summe der Leckverluste der angeschlossenen Druckflüssigkeitsverbraucher,
z. B. eine Presse, deren Preßkraft unter allen Bedingungen und über lange Zeit aufrechterhalten
werden muß. Die die Leckverluste übersteigende Fördermenge wird im allgemeinen durch
ein Druckbegrenzungsventil abgeleitet.
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Es sind Pumpenbauarten bekannt (sogenannte Nullhubpumpen), bei welchen
druckabhängig die Fördermenge bei Höchstdruck auf einen Kleinstwert reduziert wird,
was meistens durch Verminderung des Kolbenhubes erfolgt. Es sind auch Einrichtungen
an Stufenpumpen bekannt, bei welchen der die Anlage der Pumpenkolben an der Taumelscheibe
oder am Exzenter bewirkende Fülldruck bei Erreichen des Maximalförderdruckes abgeschaltet
wird, so daß die Kolben keine Längsbewegung mehr ausführen, sondern stehenbleiben.
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Es ist ferner eine hydraulische Hochdruckpumpe (deutsche Patentschrift
921554) bekannt, bei welcher einzelne Kolben oder Kolbengruppen mit steigendem
Förderdruck stufenweise abgeschaltet werden, damit bei steigendem Gegendruck die
Förderleistung reduziert wird und so ein über den gesamten Druckbereich der Pumpe
annähernd konstanter Leistungsbedarf erhalten bleibt. Als Abschaltorgan wirkt dabei
ein Differentialkolbenschieber, welcher durch den auf die Differentialfläche wirkenden
Gesamtförderdruck gegen eine Feder axial verschoben wird und dabei nacheinander
einzelne Kolben oder Kolbengruppen abschaltet. Die Verschiebung des Differentialkolbens
geht dabei mit steigendem Förderdruck kontinuierlich entsprechend der Federcharakteristik
vor sich. Hierbei ist jedoch während des Abschaltvorganges eines Kolbens oder einer
Kolbengruppe eine gewisse Drucksteigerung des Gesamtdruckes notwendig, um die Abschalt
bohrungen völlig freizugeben, denn dem Bohrungsdurchmesser entspricht in gleicher
Größe ein Axialweg des Kolbens, und diesem Weg linear steigt die Kraft der Gegenfeder
an. In den Fällen, bei welchen die Drucksteigerung in der angeschlossenen Arbeitsmaschine
relativ schnell vor sich geht, ist diese Erscheinung bedeutungslos. Wenn aber an
die Pumpen mehrere Druckflüssigkeitsverbraucher angeschlossen sind, die eine unterschiedliche
Ladung verlangen, z. B. ein Druckspeicher, ist der schleichende Übergang nachteilig,
weil die Abschaltung nicht exakt erfolgt und damit die entsprechende Druckstufe
nicht voll ausgenutzt werden kann.
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Hier schafft die vorliegende Erfindung Abhilfe. Sie besteht darin,
daß bei Hochdruck-Axialkolbenpumpen der eingangs erwähnten Art der Differentialkolben
einen auf der Gegendruckseite durch annähernd konstanten Druck beaufschlagten Kolbenteil
aufweist. Hierdurch tritt gegenüber den bekannten Einrichtungen eine wesentlich
geringere Belastung des Axiallagers ein. Der konstante hydraulische Gegendruck hält
dem auf die Ringfläche des Differentialkolbens wirkenden Verbraucherdruck (Gesamtförderdruck)
bis zu einem genau bestimmbaren Punkt die Waage und schaltet bei überschreiten dieses
Punktes durch den Verbraucherdruck die betreffende Stufe sofort und
vollständig
ab. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird der den Hub des Differentialkolbenteils
begrenzende Anschlag als zusätzlicher Hilfsdifferentialkolben ausgebildet, der außer
in Abhängigkeit vom Gesamtförderdruck der Axialkolbenpumpe auch willkürlich beaufschlagbar
ist. Durch entsprechende Ausbildung des Differentialkolbens (Anordnung einer weiteren
Bohrung) ist es möglich, auf einfache Weise bei Erreichen des Grenzdruckes der Pumpe
- oder auch bei einem beliebigen niedrigeren Druck - die Gesamtfördermenge abzuschalten.
Einzelheiten der Erfindung sind aus der nachstehenden Beschreibung und den Figuren
der Zeichnung ersichtlich. Letztere stellen einige Ausführungsmöglichkeiten dar,
und zwar zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt durch die grundsätzliche Bauart der Abschalteinrichtung,
Fig. 2 eine Ausführungsform mit Magnetventil, Fig. 3 dasselbe mit einem beweglichen
Kolben anstatt fester Gehäuserückwand, Fig. 3 a eine Zusatzeinrichtung zu Fig. 3,
Fig. 4 eine weitere Ausführungsform zu Fig. 3.
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In Fig. 1 ist die grundsätzliche Bauart der hydraulisch bewirkten
Stufenschaltung z. B. für zwei abzuschaltende Druckstufen einer Axialkolbenpumpe
dargestellt. Der axial durchbohrte Differentialkolben 1 deckt mit seinem linken,
pumpenseitigen Ende die Querbohrungen 2 ab, welche zur Druckseite der ersten
Kolbengruppe führen; dasselbe gilt für die Querbohrungen 3, welche zur Druckseite
der zweiten Kolbengruppe führen. Der Fülldruckraum 4 wird durch eine Füllpumpe
unter konstantem Druck, beispielsweise 15 at, gehalten. Von ihm aus führen die Bohrungen
5 zu den Saugventilen aller Arbeitskolben. Die Längsbohrung 27 im Differentialkolben
1 verbindet den Fülldruckraum 4 mit dem Gegendruckraum 7. In diesem
herrscht somit der gleiche Druck wie im Fülldruckraum 4. Der Förderdruckraum
8 steht direkt mit der Drucksammelkammer bzw. der von der Pumpe wegführenden
Druckleitung in Verbindung. In ihm herrscht also der volle Förderdruck der Pumpe.
Dieser wirkt auf die Differentialfläche 9 des Kolbens 1. Überschreitet die aus dem
Druck auf die Differentialfläche 9 resultierende Kraft die auf den Differentialkolben
1 im Gegendruckraum 7 aus dem dort herrschenden Fülldruck resultierende,
so wird der Kolben 1 zunächst so weit in den Raum 7 hinein verdrängt, bis
er mit dem Bund; 14 an den Fangring 11 anschlägt. Hierdurch werden
die zur ersten Kolbengruppe führenden Querbahrungen 2 kurzgeschlossen und
damit die erste Druckstufe abgeschaltet. Nun wirkt der Druck im Gegendruckraum
7 nicht mehr nur gegen die Stirnfläche des rechten Kolbenteils 6 des Differentialkolbens
1, sondern gegen die um die Ringbreite des Ringkolbens 12 vergrößerte Fläche.
Erst wenn der Druck auf die Differentialfläche 9 so weit gestiegen ist, daß auch
die um die Ringkolbenfläche 12 vergrößerte Gegenkraft im Gegendruckraum 7 überwunden
wird, wird der Differentialkolben 1 ganz nach rechts verschoben bis zum Anschlag
an die Gehäusewand 13. Dadurch werden auch die Querbohrungen 3 zur Druckseite der
zweiten Kolbengruppe am Fülldruckraum 4 kurzgeschlossen und somit die zweite
Druckstufe abgeschaltet.
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Für manche Zwecke ist es vorteilhaft, z. B. um eine Stellkolbenbewegung
zu verlangsamen, die Reduzierung der Fördermenge auf die letzte (in diesem Fall
dritte) Druckstufe willkürlich herbeizuführen. Eine Lösung für diese Aufgabe stellt
Fig. 2 dar. Hier hat der Differentialkolben 1 keine Längsbohrung, jedoch
ist der Gegendruckraum 7 über ein Steuerorgan, beispielsweise ein Magnetventil
14 und Leitungen 15 und 15a, an den Fülldruckraum 4 angeschlossen.
Normalerweise ist das Magnetventil 14 geöffnet, so daß im Gegendruckraum 7 der gleiche
Druck wie im Fülldruckraum 4 herrscht, also ein Funktionsablauf, wie er für
das Beispiel der Fig. 1 beschrieben ist, gilt. Will man die Fördermenge der Pumpe
willkürlich auf die der letzten Druckstufe reduzieren, so wird das Magnetventil
14 auf Abfluß geschaltet. Damit wird der Gegendruckraum 7 entlastet. Der Differentialkolben
1 führt seinen vollen Schaltweg bereits bei einem sehr niedrigen Gesamtförderdruck
im Förderdruckraum 8 aus, der nur so groß sein muß, daß die Reibungskräfte überwunden
werden.
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Bildet man die 'rechte Gehäusewand 13 nicht starr, sondern, wie in
Fig. 3 dargestellt, als zusätzlichen Hilfsdifferentialkolben 16 aus und gibt man
dem Hauptdifferentialkolben 1 in seinem pumpenseitigen Teil eine Ringnut 17, die
mit einer zum Fülldruckraum 4 hin offenen Längsbohrung 18 in Verbindung
steht, so kann man auch die letzte Stufe der Pumpe druckabhängig oder willkürlich
abschalten. Voraussetzung dafür ist ein Rückschlagventil in der Druckleitung, die
von der Pumpe zu den angeschlossenen Verbrauchern führt. Die Wirkungsweise ist folgende:
Über die Leitung 15a bzw. 15 wird entweder über ein zwischengeschaltetes
Steuerorgan, z. B. ein Magnetventil 14 oder über einen Druckfühler
19, der Hilfsdifferentialkolbenraum 24 und durch die Längsbohrung
21 im Hilfsdifferentialkolben 16 der Gegendruckraum 7 mit dem Fülldruckraum
4 verbunden. Die Abschaltung der beispielsweise vorgesehenen Stufen 1 und
2 erfolgt, wie oben beschrieben. Soll die Gesamtfördermenge, also auch die letzte
Druckstufe, zusätzlich abgeschaltet werden, so wird das Magnetventil 14 mit dem
Abfluß verbunden. Hierdurch weicht der Hilfsdifferentialkolben 16 bis zum Anschlag
an die Gehäusewand 22 aus. Die Ringnut 17 des Hauptdifferentialkolbens 1 gelangt
dabei in den Förderdruckraum 8, so daß auch die Fördermenge der letzten Druckstufe
aus diesem Raum in den Fülldruckraum 4 durch die Längsbohrung 18 entweichen kann.
Das obenerwähnte Rückschlagventil in der Förderdruckleitung schließt dabei und verhindert
einen Rückfluß des in den Verbraucherleitungen befindlichen, vorgespannten Öls.
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Ist das Steuerorgan ein Magnetventil 14, so kann z. B. durch Maximalminimaldruckschalter
oder Kontaktmanometer in den angeschlossenen Verbraucherleitungen ein Druck aufrechterhalten
werden, der in einstellbaren Grenzen pendelt, ohne daß irgendeine Fördermenge über
ein sonst nötiges Druckbegrenzungsventil abströmt.
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Für die gleiche Aufgabe kann ein Druckfühler 19 eingesetzt werden,
wie in Fig. 3 a dargestellt. Dieser tritt an die Stelle des Magnetventils
14. Er steht über die Leitung 23 mit den angeschlossenen Verbrauchern
in Verbindung (nicht pumpenseitig vor, sondern hinter dem obenerwähnten Rückschlagventil
in, der von der Pumpe wegführenden Druckleitung). Auf den Druckfühlerkolben
24 wirkt damit immer gegen die Kraft der einstellbaren Feder 25 der
in den angeschlossenen Verbraucherleitungen herrschende Druck. Zunächst ist über
die Ringnut 26 des Druckfühlerkolbens 24 die Leitung 15
a mit 15 verbunden, so daß im Hilfsdifferentialkolbenraum
20
und im Gegendruckraum der Druck des Fülldruckraumes 4 herrscht. Mit steigendem
Verbraucherdruck wird der Druckfühlerkolben 24 nach rechts verschoben, schließt
zunächst die Leitung 15 a ab und öffnet später über die Ringnut 26 die Verbindung
zwischen der Leitung 15 und dem Abfluß, so daß die Räume 7 und
20 entlastet werden. Durch Veränderung der Vorspannung der Feder
25 kann der Verbraucherdruck, bei welchem die Entlastung vor sich geht, eingestellt
werden. Durch Wahl der Länge der Ringnut 26 und durch die Dimensionierung der Kammern,
die im Gehäuse des Druckfühlers 19 mit den Leitungen 15 a, 15 und dem Abfluß in
Verbindung stehen, hat man es in Verbindung mit geeigneter Charakteristik der Feder
25 weiterhin in der Hand, die Druckdifferenz, bei welcher die Abschaltung und Wiederzuschaltung
der einzelnen Kolbengruppen erfolgt, jeweiligen Erfordernissen anzupassen. Die Schaltgrenzen
lassen sich außerordentlich eng halten. Von Vorteil ist bei dieser Anordnung, daß
die Pumpe gegenüber üblichen, sogenannten Leerlaufschaltungen bei Wiederzuschaltung
nicht mit der vollen Fördermenge einsetzt, sondern zunächst nur mit der Fördermenge,
die der letzten Druckstufe entspricht. Man kann weiterhin gemäß Fig. 4 den Gegendruckraum
7
und den Hilfsdifferentialkolbenraum 20 voneinander trennen, indem
man die Längsbohrung 21 im Hilfsdifferentialkolben 16 wegläßt und dem Gegendruckraum
7 eine eigene Leitung 28 nach außen gibt und ihn durch ein zwischengeschaltetes
Steuerorgan, ebenso wie den Hilfsdifferentialkolbenraum 20, mit dem Fülldruckraum
4 verbindet. Dabei können die beispielsweise dargestellten Steuerorgane und Magnetventile
oder auch Druckfühler oder sonst für den jeweiligen Fall geeignete Geräte sein.
Man kann dann die Reduzierung der Fördermenge auf die letzte Druckstufe druckabhängig
oder willkürlich herbeiführen. Dies gilt auch für die Zu- und Abschaltung der letzten
Druckstufe.
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Es sind auch zwischen den Anordnungen der Fig. 3, 3 a und 4 Kombinationen,
z. B. Parallelschaltung von druckabhängig und willkürlich schaltenden Organen möglich,
die dann gestatten, die Fördercharakteristik und völlige Pumpenabschaltung den jeweiligen
Erfordernissen beliebig anzupassen.