[0001] Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für eine Pumpe, insbesondere eine
Flüssigkeitsdosierpumpe, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.
[0002] Bekannte Dosierpumpen mit elektromotorischem Antrieb dieser Art weisen ein Untersetzungsgetriebe
auf, über das eine Exzenter- oder Kurvenscheibe angetrieben wird, die ihrerseits auf
den Pumpenstößel einwirkt. Der Rückhub wird mit einer Rückholfeder ausgeführt. Weiter
kann ein Hubbegrenzer vorgesehen sein, der von außen einstellbar ist. Dieses Prinzip
ist sowohl für Membranpumpen als auch für Kolbenpumpen anwendbar. Die Motorkraft
wird dort nur für den Vorschub des Pumpenstößels aufgewandt. Beim Rückhub wird der
Motor leer zurückgedreht. Im Verlauf des Vorschubs nimmt die vom Elektromotor auf
den Pumpenstößel zu übertragende Kraft von einem relativ niedrigen Wert stetig bis
zu einem Spitzenwert bei maximaler Auslenkung zu. Der Antriebsmotor muß dabei hinsichtlich
seiner Leistung fur die Spitzenlast ausgelegt werden. Bei den bekannten Dosierpumpen
bedeutet dies aber, daß über einen großen Teil des Hubzyklus, vor allem beim Rückhub,
die zur Verfügung stehende Motorleistung ungenutzt bleibt, so daß im Mittel eine Überdimensionierung
des Motors erforderlich ist.
[0003] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die bekannte Antriebsvorrichtung
dahingehend zu verbessern, daß trotz gleicher Spitzenbelastung in der Vorschubphase
eine kleinere Motordimensionierung ermöglicht wird.
[0004] Zur Lösung dieser Aufgabe wird ie im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 angegebene Merkmalskombination
vorgeschlagen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
[0005] Der erfindungsgemäßen Lösung liegt der Gedanke zugrunde, daß während der Rückholphase
des Pumpenstößels Motorenergie in Form von potentieller mechanischer Energie gespeichert
wird, die in der Vorschubphase zur Unterstützung der Motorkraft genutzt werden kann.
Dementsprechend ist erfindungsgemäß eine Anordnung zur Speicherung mechanischer Energie
vorgesehen, die im Verlauf der Rückholphase des Pumpenstößels durch die motorgetriebene
Exzenter- oder Kurvenscheibe auf einen Zustand höherer potentieller Energie aufladbar
ist und durch die eine entgegen der Kraft der Rückholfeder gerichtete Kraft auf den
Pumpenstößel übertragbar ist.
[0006] Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Speicheranordnung mindestens
eine unter Vorspannung stehende Feder als Speicherorgan auf. Hierfur kommt vor allem
eine Druckfeder, insbesondere ein Tellerfedernpaket in Betracht. Aber auch Schraubenfedern,
Torsionsfedern oder Spiralfedern sind als Federorgane möglich. Grundsätzlich ist
es auch möglich, ein elastomeres Material oder einen Gasdruckspeicher als Speicherorgane
zu verwenden.
[0007] Die Speicheranordnung weist zweckmäßig einen im Gegentakt zum Pumpenstößel entgegen
der Kraft des Speicherorgans durch die motorgetriebene Scheibe verschiebbaren Speicherstößels
sowie ein zwischen dem Pumpenstößel und dem Speicherstößel angeordnetes, die Scheibe
über brückendes Kopplungsglied auf. Das Kopplungsglied hält die einander zugewandten,
gegen die Scheibe wirkenden Stirnflächen der beiden Stößel auf einem Abstand voneinander,
der geringfügig, vorzugsweise um etwa 0,05 bis 0,1 mm, größer als der Scheibendurchmesser
ist.
[0008] Eine optimale Anpassung der Speicheranordnung an die Pumpenlast wird dann erzielt,
wenn die von der Speicheranordnung auf den Pumpenstößel übertragbare Kraft etwa 25
bis 50 % der Spitzenlast entspricht und wenn die von der motorgetriebenen Scheibe
zur Ladung der Speicheranordnung aufzuwendende Kraft maximal etwa 50 bis 75 % der
auf der Seite des Pumpenstößels auftretenden Spitzenlast entspricht. Eine solche
Antriebsvorrichtung kann bei gegebener Leistung des Elektromotors um etwa 30 % mehr
Pumpenleistung erbringen. Umgekehrt kann bei gegebener Pumpenleistung ein entsprechend
kleinerer und dadurch billigerer Motor als bisher verwendet werden.
[0009] In der Zeichnung ist ein bevorzugtes Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung in schematischer
Weise dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 bis 3 eine Draufsicht auf eine Antriebsvorrichtung für einen Pumpenstößel mit
mechanischer Speicheranordnung in verschiedenen Betriebszuständen.
Fig. 4 einen senkrechten Schnitt durch ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel einer
Antriebsvorrichtung.
[0010] Die in der Zeichnung dargestellte Antriebsvorrichtung besteht im wesentlichen aus
einer motorisch angetriebenen Exzenterscheibe 10, einem durch die Exzenterscheibe
entgegen der Kraft einer Rückholfeder 12 verschiebbaren Pumpenstößel 14 sowie einer
Anordnung 16 zur Speicherung mechanische Energie. Die Speicheranordnung 16 weist
einen in einer gehäusefesten Führung 18 geführten Speicherstößel 20 sowie einen Satz
auf dem Stößel 20 angeordneter, zwischen einer Stößelschulter 22 und einer gehäusefesten
Schulter 24 unter Vorspannung eingespannter Tellerfedern 26 auf. An dem Speicherstößel
20 ist ein Kopplungsglied 28 angeformt, das die Exzenterscheibe mit seinen Auslegern
29 im seitlichen Abstand käfigartig umgreift und mit seiner Stirnfläche 30 gegen eine
Ringschulter 32 des Pumpenstößels 14 anschlagbar ist. Die Stirnfläche 30 des Kopplungsgliedes
28 ist durch einen ringförmigen Anschlagschuh 30′ gebildet, der auf dem rückwärtigen
Teil 14′ des Pumpenstößels 14 gefuhrt ist.
[0011] Die aus einer Innenscheibe 34 und einem auf dieser kugelgelagerten Laufring 36 bestehende
Exzenterscheibe 10 ist mit ihrer exzentrischen Drehachse 38 auf der Abtriebswelle
eines nicht dargestellten elektrischen Getriebe- oder Schrittmotors gelagert. Diese
Drehachse 38 ist ortsfest zwischen den beiden Stößelführungen 18,40 angeordnet. Die
Exzenterscheibe befindet sich zwischen den einander zugewandten Stirnflächen 42,44
der beiden Stößel 14,20, gegen die sie mit ihrer Mantelfläche 46 je nach Drehlage
wechselweise anschlägt. Durch das gegen die Ringschulter 32 des Pumpenstößels 14 anschlagende
Kopplungsglied 28 des Speicherstößels 20 wird zwischen den beiden Stirnflächen 42,44
ein Abstand definiert, der geringfügig, vorzugsweise um ca. 0,05 bis 0,1 mm, größer
als der Scheibendurchmesser aber wesentlich kleiner als der Stößelhub ist. Aus Gründen
der besseren Darstellung sind diese Abstände in der Zeichnung nicht maßstäblich wiedergegeben.
Zur Einstellung des Pumpenhubs ist am Gehäuse ein stift förmiger Begrenzungsanschlag
48 in seiner Achsrichtung verschiebbar angeordnet, gegen dessen kegelförmige Spitze
50 eine schräge Anschlagfläche 52 des Pumpenstößels 14 unter der Einwirkung der Rückholfeder
12 anschlagbar ist.
[0012] In dem in Fig. 1 dargestellten Ausgangszustand ist die Exzenterscheibe 10 zum Speicherstößel
20 hin maximal ausgelenkt und liegt gegen dessen Stirnfläche 44 zentral an. Das Federpaket
26 ist zwischen den beiden Schultern 22,24 auf seine geringste Ausdehnung zusammengedrückt
und weist die im Verlauf eines Zyklus maximale potentielle Energie auf. Auf der anderen
Seite liegt der Pumpenstößel 14 mit seiner Anschlagfläche 52 gegen den Begrenzungsstift
48 an. Sowohl die Exzenterscheibe 10 als auch das Kopplungsglied 28 ist von der zugehörigen
Stirn- bzw. Schulterfläche 32,42 des Pumpenstößels abgehoben.
[0013] Wird nun die Exzenterscheibe um die Achse 38 im Uhrzeigersinn in die in Fig. 2 gezeigte
Stellung weitergedreht, so verschiebt sich der Speicherstößel 20 unter Ausdehnung
des Federpakets in Richtung Pumpenstößel 14, bis das Kopplungsglied 28 mit seinem
Anschlagschuh 30′ gegen die Ringschulter 32 des Pumpenstößels 14 anschlägt und diesen
unter der Einwirkung der Kraft des Federpakets 26 entgegen der Kraft der Rückholfeder
12 vom Anschlag 50 abhebt. Im weiteren Verlauf des Stößelvorschubs nimmt die zu überwindende
Gegenkraft zu, bis sie schließlich der vom Federpaket 26 übertragenen Kraft entspricht.
Von diesem Punkt an hebt die Exzenterscheibe 10 von der Stirnfläche 44 des Speicherstößels
20 ab und schlägt gegen die rückwärtige Stirnfläche 42 des Pumpenstößels 14 an, so
daß die fehlende Kraft nunmehr vom Motor auf den Pumpenstößel 14 übertragen wird.
Auch im letzten Abschnitt der Vorschubbewegung bis zu der in Fig. 3 gezeigten Stellung
trägt jedoch das Federpaket 26 aufgrund seiner Vorspannung zur Überwindung der Gegenkraft
mit einem gewissen Anteil bei. Zweckmäßig werden Federeigenschaften und Vorspannung
so gewählt, daß bei Erreichen der Spitzenlast im Zustand der Fig. 3 noch etwa 25 bis
50 % der auf den Pumpenstößel 14 einwirkenden Vorschubkraft von der Speicheranordnung
16 übertragen werden.
[0014] Beim Weiterdrehen der Exzenterscheibe 10 im Uhrzeigersinn vom Zustand der Fig. 3
aus wird der Pumpenstößel 14 unter der Einwirkung der Ruckholfeder 12 allmählich zurückbewegt,
bis er gegen den Begrenzungsstift 48 anschlägt. Vom Punkt des Kräftegleichgewichts
an, spätestens jedoch nach dem Anschlag des Pumpenstößels 14 hebt die Exzenterscheibe
10 von der Stirnfläche 42 des Pumpenstößels 14 ab und wirkt auf die Stirnfläche 44
des Speicherstößels 20 ein. In dieser Phase wird das Federpaket 26 unter Aufwendung
von Motorkraft zusammengedrückt und auf einen Zustand höherer potentieller Energie
gebracht. Die Federeigenschaften werden dabei zweckmäßig so gewählt, daß die aufzuwendende
Spitzenkraft im Zustand der Fig. 1 etwa 50 bis 75 % der auf der Seite des Pumpenstößels
auftretenden Spitzenlast entspricht.
[0015] Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausfuhrungsbeispiel ist die Exzenterwelle 10′ an einem
oberen und einem nicht gezeigten unteren gehäusefest angeordneten Kugellager 64 mit
Hilfe des Motors 66 und des Untersetzungsgetriebes 68 um die Exzenterachse 38 drehbar
gelagert. Auf der Exzenterwelle 10′ sind zwei voneinander getrennte Kugellager 60,62
im Abstand voneinander ange ordnet. Der Pumpenstößel 14 liegt unter der Einwirkung
der als Schraubendruckfeder ausgebildeten Rückholfeder 12 mit seiner Stirnfläche 42
gegen den Außenring 36′ des Kugellagers 60 an deren Mantelfläche 46′ an, während der
Speicherstößel 20 unter der Einwirkung der als Speicherorgan dienenden Schraubendruckfeder
26 mit seiner Stirnfläche 44 gegen die Mantelfläche 46′′ des Außenrings 36′′ des Kugellagers
62 anliegt. Beim Drehen des Exzenters 10′ kann somit der jeweilige Außenring 36′,36′′
auf der Stirnfläche 42,44 des betreffenden Stößels abrollen, ohne daß dabei eine Querreibung
entsteht. Ein zusätzliches Kopplungsglied ist bei diesem Ausführungsbeispiel entbehrlich.
[0016] Grundsätzlich ist es auch möglich, unter Verwendung nur eines Kugellagers auf der
Exzenterwelle 10′ die Stößel 12,20 gemeinsam ohne Kopplungslied von einander gegenüberliegenden
Seiten auf den Außenring 36 des Kugellagers einwirken zu lassen. Hierbei müssen zwar
Gleitreibungsverluste zwischen den beiden Stößeln und dem Außenring in Kauf genommen
werden. Es wird dadurch jedoch vermieden, daß auf die Exzenterwelle 10′ ein von den
Lagern 64 aufzunehmendes Drehmoment ausgeübt wird. Außerdem wird eines der Kugellager
60,62 eingespart, so daß man insgesamt eine kostengünstigere Bauweise erhält. Die
Gleitreibungreibung im Bereich des Außenrings kann im übrigen durch geeignete Maßnahmen,
beispielsweise durch Gleitmittel, eine Gleitbeschichtung oder Laufrollen reduziert
werden.
1. Antriebsvorrichtung für Pumpe, insbesondere eine Flüssigkeitsdosierpumpe, mit einem
motorgetriebenen, in einer Vorschub- und einer Rückholphase hin- und herverschiebbaren
Pumpenstößel und einer Anordnung zur Speicherung mechanischer Energie, durch die auf
den Pumpenstößel eine in Vorschubrichtung gerichtete Kraft übertragbar ist und die
im Verlauf der Rückholphase des Pumpenstößels auf einen Zustand hõherer potentieller
Energie aufladbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenstößel (14) unter der zumindest zeitweiligen Einwirkung der Mantelfläche
(46) eines motorgetriebenen Exzenters oder einer Kurvenscheibe (10) entgegen der
Kraft einer Rückholfeder (12) verschiebbar ist und daß die Speicheranordnung (16)
einen im Gegentakt zum Pumpenstößel entgegen der Kraft eines Speicherorgans (26) durch
den Exzenter oder die Scheibe (10) verschiebbaren Speicherstößel (20) aufweist.
2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Pumpenstößel (14) und dem Speicherstößel (20) ein den Exzenter
(10) überbrückendes Kopplungsglied (28) angeordnet ist.
3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopplungsglied (28) die einander zugewandten, gegen den Exzenter (10) wirkenden
Stirnflächen (42,44) der beiden Stößel (14,20) auf einem Abstand voneinander hält,
der geringfügig, vorzugsweise um höchstens 0,1 mm größer als der Exzenterdurchmesser
ist.
4. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopplungsglied (28) mindestens einen mit dem Speicherstößel (20) starr verbundenen
Ausleger (29) aufweist, der mit seiner Stirnfläche (30) gegen eine rückwärtige Schulter
(32) des Pumpenstößels (14) anschlagbar ist.
5. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopplungsglied zwei Ausleger (29) aufweist, die den Exzenter auf einander
gegenüberliegenden Seiten seiner Mantelfläche (46) käfigartig im Abstand überbrucken.
6. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenstößel (14) unter der Einwirkung der Rückholfeder gegen einen den
Pumpenhub bestimmenden verstellbaren Begrenzungsanschlag (48) anschlagbar ist.
7. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicheranordnung (16) mindestens eine unter Vorspannung stehende, vorzugsweise
als Druckfeder ausgebildete Feder (26) als Speicherorgan aufweist.
8. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (26) als Schraubenfeder, Torsionsfeder, Blattfeder, Spiralfeder oder
Tellerfederpaket ausgebildet ist.
9. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicheranordnung (16) ein aus einem elastomeren Material bestehendes Speicherorgan
aufweist.
10. Antriebsvorrichtung nach einem der Anspruche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicheranordnung (16) einen Gasdruckspeicher als Speicherorgan aufweist.
11. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche des Exzenters (46′,46′′) durch den Außenring (36′,36′′) eines
auf einer exzentrisch gelagerten, motorisch angetriebenen Welle (10′) angeordneten
Kugellagers (60,62) gebildet ist.
12. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Kugellager (60) vorgesehen ist, gegen dessen Außenring die dem Exzenter
zugewandten Stirnflächen (42,64) sowohl des Pumpenstößels (14) unter der Einwirkung
der Rückholfeder (12) als auch des Speicherstößels (20) unter der Einwirkung des Speicherorgans
(26) auf einander gegenüberliegenden Seiten anliegen.
13. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenstößel (14) und der Speicherstößel (20) mit ihren dem Exzenter (10)
zugewandten Stirnflächen (42,44) unter der Einwirkung der Rückholfeder (12) bzw.
des Speicherorgans (26) gegen den Außenring (36′,36′′) je eines von zwei getrennt
auf der Exzenterwelle (10′) angeordneten Kugellagers (60,62) andrückbar sind.
14. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche (46; 46′,46′′) des Exzenters (10,10′) oder der Kurvenscheibe
und/oder die Stirnflächen (42,44) des Pumpenstößels (14) und des Speicherstößel (20)
mit gleitreibungsmindernden Mitteln, beispielsweise mit einer Gleitbeschichtung oder
mit Rollen, versehen sind.