[0001] Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur kontinuierlichen Verstellung des Arbeitshubes
in durch Radialexzenter oder Axiaexzenter angetriebenen Pumpen jeder Art, insbesondere
auch in Common Rail Pumpen für Diesel- und Benzineinspritzsysteme.
[0002] Aber auch in Antriebs- und Steuersystemen bei Verbrennungsmotoren, Fahrzeugen, Verarbeitungsmaschinen
u.a. Aggregaten kann die Einrichtung Anwendung finden.
[0003] Hubverstellende Einrichtungen sind in mannigfachen Ausführungen bekannt. Neben Hebelsystemen,
die zwischen einem Nocken und den anzutreibenden Kolben eingeschaltet sind, werden
vor allem Doppelexzenter zur Hubverstellung eingesetzt.
[0004] Bei solchen, mit Radialnocken bekannten Bauarten ist auf einem inneren, mit der Antriebswelle
verbundenen Exzenter ein zweiter äußerer Exzenter gelagert und aus der Winkellage
beider Exzenter zueinander ergibt sich eine bestimmte Hubgröße.
[0005] Die bekannten Ausführungen unterscheiden sich dabei in der Ausbildung des Verstellsystems
der Exzenter. Vorwiegend wird dabei ein hydraulisches Schwenkflügelsystem vorgeschlagen,
wie es bei den Druckschriften
CH 2 26 285 und
US 3 180 178 der Fall ist.
[0006] Dabei wird das Beaufschlagen und Entlasten der entsprechendenhydraulischen Kammern
durch Kolbenschieber und Handräder gesteuert. Bei dem
US 2 592 237 wird über ein Handrad und Zahnräder die Winkellage der Exzenter eingestellt.
[0007] Auch die Druckschrift
DD 31201 arbeitet mit hydraulischem Kolbenschieber und Handrad analog den vorstehend genannten
Druckschriften.
[0008] Die
DE 32 22 577 benutzt die zwischen den Exzentern auftretenden Reaktionskräfte zur "willkürlichen
Verstellung" und verwendet dafür Freiläufe, Kolbenschieber und andere Bauelemente.
[0009] Die letztgenannte Druckschrift, aber auch die oben genannten Schriften stellen aufwändige
Konstruktionen mit einer Vielzahl von Einzelteilen dar. Für einen großtechnischen
Einsatz sind diese bekannten Bauarten wenig geeignet.
[0010] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei hubverstellenden Radial- und Axialnockenantrieben
mit in- oder aneinandergelagerten Exzentern einfache, selbsttätig wirkende Steuer-
und Regeleinrichtungen anzuordnen und damit kostengünstige Nockenantriebe mit kontinuierlicher
Hubverstellung zu schaffen.
[0011] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
- das Verstellsystem mit einer Kombination aus hydraulischen Kräften und Federkräften
arbeitet,
- die hydraulische Steuerung verbessert und vereinfacht ist,
- die angetriebenen umlaufenden Teile (Antriebswelle) drehschieberartig den Zustrom
eines Steuermediums in das Verstellsystem steuern und
- in weiterer Ausgestaltung des Systems mechanisch/mechatronische Stellglieder in das
Verstellsystem eingeschaltet sind.
[0012] Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen dargestellt.
[0013] Die Zeichnungen zeigen:
- Fig. 1
- einen Längsschnitt durch die Einrichtung mit Radialnocken und hydraulischem Verstellsystem,
- Fig. 2
- einen Schnitt nach der Linie I-I in Fig. 1 bei 0-Hubstellung,
- Fig. 3
- einen Schnitt analog Fig. 2 bei 180°-Hubstellung,
- Fig. 4
- einen Schnitt analog Fig. 2 bei 45°-Hubstellung,
- Fig. 5
- einen Schnitt nach der Linie II-II in Fig. 1 (einseitige Einspeisung),
- Fig. 6
- einen Schnitt analog Fig. 5 (zweiseitige Einspeisung),
- Fig. 7
- einen Abschnitt aus der Fig. 1 (Fig. 6 betreffend),
- Fig. 8
- einen Schnitt analog Fig. 6 mit veränderter Steuerdruckeinspeisung,
- Fig. 9
- einen Abschnitt aus der Fig. 1 (Fig. 8 betreffend),
- Fig. 10
- das Prinzip eines mechanisch/mechatronischen Verstellsystems,
- Fig. 11)
- eine Anwendung der Erfindung
- Fig. 12)
- bei Axialkolbenmaschinen
[0014] In der Fig. 1 ist eine im Gehäuse 1 gelagerte Antriebswelle 2 mit einem Innenexzenter
3 und einem Steuerexzenter 4 versehen, deren Mittelpunkt ME um den Betrag e vom Mittelpunkt
M der Antriebswelle 2 versetzt ist.
[0015] Auf dem Innenexzenter 3 ist ein Außenexzenter 5 gelagert, dessen mit ihm fest verbundenes
Gehäuseteil 6 eine Innenkontur 7 besitzt.
[0016] Diese Innenkontur 7 bildet zusammen mit dem Steuerexzenter 4 einen zu ME konzentrischen
Ringraum 8, der das Verstellsystem beinhaltet.
[0017] Ein Deckel 9 schließt den Ringraum 8 ab, womit zugleich die axiale Führung des Außenexzenters
5 hergestellt ist.
[0018] Eine Verdrehfeder 10 ist einerseits mit der Antriebswelle 2, andererseits mit dem
Gehäuseteil 6/Deckel 9 fest verbunden und stellt ein Hauptelement des in Fig. 5 beschrieben
Steuer- und Regelsystems dar.
[0019] In Wirkverbindung mit den Exzentern 3 und 5 steht ein Rollenstößel 11, der im Gehäuse
1 geführt ist und das eigentliche Arbeitssystem (Kolben, Hebelglied o. ä.) antreibt.
Nach Art der Radialkolbenpumpen können dabei mehrere Kolben konzentrisch zur Antriebswelle
2 angeordnet sein.
[0020] Ferner können sich zwischen den Exzentern 3 und 5 mehrere Schmierstoffkanäle 12 befinden,
die z. B. bei einer hydraulischen Pumpe mit den im Gehäuseinnenraum herrschenden Druck
beaufschlagt sind.
[0021] Die Fig. 1 zeigt zugleich eine Zuführung für ein Steuermedium in das Steuer- und
Regelsystem. Dabei wird eine Zuführbohrung 13 über einen in der Antriebswelle 2 befindlichen
Ringkanal 14 kontinuierlich mit Verteilerbohrungen 15 (Fig. 5) verbunden. Dabei kann
auch ein mit der Antriebswelle 2 verbundenes Drehstück mit verbesserter hydraulischer
Abdichtung die Verbindung vom Gehäuse 1 zur Antriebswelle 2 herstellen. Erfindungsgemäß
kann aber die Zuführung auch derart gesteuert sein, dass unter Verzicht auf die Ringnut
14 eine drehschieberartige Zuführung zwischen 13 und 15 erfolgt. Dabei ist die radiale,
mit 13 korrespondierende Verteilerbohrung 15 den Exzentern 3; 5 so zugeordnet, dass
jeweils nur im Bereich der u. T.-Stellung (unterer Totpunkt, Nulldurchgang) die Verbindung
zwischen 13 und 15 hergestellt ist. Damit werden die Verstellkräfte reduziert. Außerhalb
des Bereiches der u. T.-Stellung ist das System hydraulisch verblockt. Zugleich werden
Schwingungserscheinungen, die dem System vom Antrieb her oder durch Förderstrom- und
Druckschwankungen aufgezwungen werden, unterdrückt.
[0022] Die Fig. 2 zeigt die zugeordnete Stellung der Exzenter 3 und 5 derart, dass ein 0-Hub
eingestellt ist. Der Mittelpunkt ME liegt analog Fig. 1 um den Betrag e oberhalb des
Mittelpunktes M der Antriebswelle 2.
[0023] Die Fig. 3 zeigt gegenüber Fig. 2 die 180°-Verstellung des Außenexzenters 5. Der
Mittelpunkt ME ist um 2e gegenüber M verschoben, es ist mit dem 180°-Hub der maximale
Hub eingestellt. Diesen Hub wird man in der technischen Ausführung meist nicht ausnutzen,
sondern eine Teilverdrehung anwenden.
[0024] In der Fig. 4 ist beispielsweise eine Teilverdrehung von 45° dargestellt, der Exzentermittelpunkt
ME wandert dabei auf einer Kreisbahn mit dem Radius e.
[0025] Die Fig. 5 zeigt das Verstellsystem in der zunächst bekannten Ausbildung mit Schwenkflügeln.
Mit dem Steuerexzenter 4 (und damit dem Innenexzenter 3 und der Antriebswelle 2 -
Fig. 1) fest verbunden sind die Schwenkflügel 16, mit dem Gehäuseteil 6 (und damit
dem Außenexzenter 5 - Fig. 1) die Schwenkflügel 16a. In der gezeigten Stellung soll
nun 6, 16a im Uhrzeigersinn so gegenüber 4; 16 vorgeeilt sein, dass der maximal geforderte
Hub eingestellt ist.
[0026] Erfindungsgemäß wird diese Stellung dadurch erreicht, dass die Verdrehfeder 10 (Fig.
1) und die Hilfsfedern 17 diese Verdrehung bis zum Anlegen am Anschlagbolzen 18 bewirken.
Das Aggregat, z. B. eine Pumpe fährt auf diese Weise mit maximalem Hub und damit größter
Fördermenge (Hauptstrom) an.
[0027] Um kleinere Fördermengen bis herab zur 0-Förderung zu erzielen, wird über die Elemente
13; 14; 15 (Fig. 1) durch ein schnell schaltendes Regelventil ein Steuerstrom mit
einem bestimmten Steuerdruck über die Antriebswelle 2 in die Druckkammern 19 eingespeist.
Demzufolge wird der Gehäuseteil 6 samt Außenexzenter 5 im Gegenuhrzeigersinn zurückgedreht,
also Hub und Fördermenge verringert.
[0028] Erfindungsgemäß ist damit auf einfachste Weise ein Regelkreis in die Einrichtung
integriert. Bei z. B. konstanter Antriebsdrehzahl der Pumpe und konstanter Regelventilstellung
wird in einem Verbraucher ein Druckniveau eingehalten. Entnimmt der Verbraucher einen
kleineren Hauptstrom, wird der Steuerstrom vergrößert, der Steuerdruck in der Druckkammer
19 steigt an. Dadurch werden die Teile 5; 6 entgegen der Wirkung der Federn 10; 17
in Richtung Nullförderung verschoben. Bei vergrößertem Hauptstrom im Verbraucher treten
die entgegengesetzten Verhältnisse ein.
[0029] Das sich in den Federkammern 20 ansammelnde Leckagemedium kann über die Hilfsbohrungen
21 in das Gehäuse 1 abfließen. Wenn, wie es oft der Fall ist, das Gehäuse 1 innen
unter einem bestimmten niederen Vordruck steht, liegt dieser Vordruck auch in den
Federkammern 20 an und unterstützt die Wirkung der Federn 10; 17. Mit der Größe des
Pumpenvordrucks kann damit in bestimmter Weise Einfluss auf das Regelverhalten ausgeübt
werden.
[0030] Die Fig. 6 zeigt in Ergänzung zur Fig. 5 das Verstellsystem derart gestaltet, dass
zur Unterstützung der Federn 10; 17 ein hydraulischer Steuerdruck auch in die rückwärtigen
Federkammern 20 eingespeist wird. Dazu sind zusätzliche Verteilerbohrungen 15a (Fig.
6) in der Antriebswelle 2 und dem Steuerexzenter 4 angeordnet. Die Hilfsbohrungen
21 entfallen.
[0031] Auf welche Weise die wechselseitige Beaufschlagung der Kammern 19; 20 gemäß der Erfindung
erfolgt, ist in Fig. 7 dargestellt.
[0032] Sie zeigt als Abschnitt der Fig. 1 das direkt in den Körper der Einrichtung integrierte
Steuersystem.
[0033] Ein Kolbenschieber 22, der unmittelbar neben der Antriebswelle 2 angeordnet ist,
steuert den Zu- und Abfluss des Steuermediums in die Kammern 19 und 20 (Fig. 6) über
die Verteilerbohrungen 15 und 15a. Dieser Kolbenschieber 22 kann dabei auf verschiedene
Art und Weise betätigt werden.
[0034] In der Fig. 7 wird der Kolbenschieber 22 beispielsweise über einen Winkelhebel 23
und ein mechatronisches Stellglied 24 (Magnet, Piezoaktor) in die linke Endstellung,
durch eine Druckfeder 25 in die rechte Endstellung bewegt.
[0035] Ebenso kann der Kolbenschieber 22 durch einen in die Kammer 26 eingeleiteten hydraulischen
Druck bewegt werden, aber auch die Einleitung von hydraulischem Druck auf beide Seiten
des Kolbenschiebers 22, wahlweise verbunden mit ein- oder beidseitig wirkenden Druckfedern
25 und entsprechenden Anschlägen sind mögliche Ausgestaltungen.
[0036] In der gezeigten Mittelstellung des Kolbenschiebers 22 ist das System hydraulisch
verblockt. Bei seiner Verschiebung nach links kommt die mittlere Ringnut 27 mit 15
zur Deckung, die Kammern 19 (Fig. 6) werden beaufschlagt, während die Kammern 20 über
15a und die rechte äußere Ringnut 27a entlastet werden - der Hub der Einrichtung wird
verringert. Dabei fließt das abströmende Medium über die Abflusskanäle 28 dem Inneren
des Gehäuses 1 zu.
[0037] Bei einer Verschiebung von 22 nach rechts treten die umgekehrten Verhältnisse durch
Einschaltung von 27, 27b ein.
[0038] Bei allen diesen Ausgestaltungen des Steuer- und Regelsystems kann die erfindungsgemäße
drehschieberartige Zuführung des Steuerdruckes, wie sie bei Fig. 1 beschrieben ist,
angewendet werden. Anstelle des Kolbenschiebers 22 kann natürlich auch ein anderes
doppelt wirkendes Ventil eingesetzt werden.
[0039] In der Fig. 8 ist ein Ausführungsbeispiel mit vier Kammern 19; 20 dargestellt, wobei
in jede Kammer zwei Kanäle einmünden, hier Zulaufbohrung 29 und Ablaufbohrung 30 genannt.
[0040] Für die Endlagen der Verdrehung des Gehäuseteiles 6 gegenüber dem Steuerexzenter
4 sind hier zwei Anschlagbolzen 18 angeordnet, welche sicherstellen, dass die Bohrungen
29; 30 nicht abgesperrt werden.
[0041] Die Fig. 9 zeigt zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 das in der Einrichtung integrierte
Verstellsystem. Die auch hier mögliche Regelung durch einen Kolbenschieber 22 soll
beispielsweise ersetzt sein durch zwei getrennt steuerbare mechatronische Stellglieder
(Magnet, Piezoaktor) 24; 24a.
[0042] Der Steuerdruck wird über die Zuführbohrung 13 und die in der Antriebswelle 2 befindliche
Verteilerbohrung 15 allen vier Kammern 19; 20 (Fig. 8) ohne Schaltung eines Kolbenschiebers
oder eines anderen Ventiles ständig zugeführt, aber auch hier drehschieberartig gesteuert.
Dabei kann eine Drossel 31 eine bestimmte Drosselwirkung im Zustrom zu den Kammern
19; 20 bewirken.
[0043] Das System ist damit hydraulisch verblockt. Da in allen Kammern der gleiche Druck
herrscht, treten Leckageströme zwischen den Kammern nicht auf.
[0044] Für eine Winkelverstellung zwischen den Schwenkflügeln 16; 16a (Fig. 8)öffnet das
Stellglied 24 oder 24a das zugehörige Hydroventil, womit wechselseitig die Kammern
19 oder 20 (Fig. 8) entlastet werden und die Hubverstellung des Systems einsetzt.
Damit gibt dieses Ausführungsbeispiel sicher wirkende und konstruktiv einfache Mittel
zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe an.
[0045] Die Fig. 10 zeigt ein mechanisch/mechatronisches Verstellsystem. Die Antriebswelle
2 und somit der Innenexzenter 3 (Fig. 1) setzen sich zu einer Gewindespindel 33 fort,
während der Außenexzenter 5 (Fig. 1) eine dem Gehäuseteil 6 entsprechende Gewindespindel
33a besitzt. Beide Gewindespindeln 33; 33a stehen sich koaxial gegenüber und tragen
mehrgängige Gewinde mit großer Steigung, die zwischen 33; 33a entgegengesetzt ist
(rechts- bzw. linksgängig). Eine Schiebemuffe 34 mit jeweils entsprechenden Innengewinden
greift in beide Gewindespindeln 33; 33a ein und stellt den Formschluss zwischen den
Teilen 2; 6 und damit den Exzentern 3; 5 her. Eine Axialbewegung der Schiebemuffe
34, die durch ein mechatronisches Stellwerk wie z. B. einen Proportionalmagnet, einen
hydraulischen Steuerdruck oder rein mechanisch über Hebel o. ä. Glieder erfolgen kann,
führt zu einer Relativverdrehung zwischen den Exzentern 3; 5 und damit zur Hubverstellung
des Systems. Eine Druckfeder 25 kann zur Rückführung der Schiebemuffe 34 dienen. Durch
die gegenläufigen Gewindesteigungen auf 33; 33a heben sich die aus der Drehmomentübertragung
herrührenden Längskräfte in der Schiebemuffe 34 auf, so dass die Verstellkräfte reduziert
sind.
[0046] Die Fig. 11 und 12 zeigen die Anwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung bei Axialkolbenmaschinen.
[0047] Die Fig. 11 zeigt einen mit der Antriebswelle 2 fest verbundenen Axialexzenter 35
und über das Verstell- und Steuersystem ist der zweite Axialexzenter 35a mit dem Axialexzenter
35 verbunden. In der Darstellung nach Fig. 11 sind beide Exzenter 35; 35a so gegeneinander
gestellt, dass für die im Gehäuse 1 geführten Verdrängerkolben 36 ein 0-Hub eingestellt
ist.
[0048] Die Fig. 12 zeigt gegenüber Fig. 11 die 180°-Verstellung beider Exzenter 35; 35a
zueinander, es ist der maximale Hub eingestellt. In der praktischen Ausführung wird
man auch hier eine Teilverstellung anwenden, wozu alle erfindungsgemäßen Mittel 8;
15; 15a; 16; 16a; 19; 20 eingesetzt werden können, wie sie zu Fig. 1 bis Fig. 9 beschrieben
worden sind.
Bezugszeichenliste
[0049]
- 1
- Gehäuse
- 2
- Antriebswelle
- 3
- Innenexzenter
- 4
- Steuerexzenter
- 5
- Außenexzenter
- 6
- Gehäuseteil
- 7
- Innenkontor
- 8
- Ringraum
- 9
- Deckel
- 10
- Verdrehfeder
- 11
- Rollenstößel
- 12
- Schmierstoffkanal
- 13
- Zuführbohrung
- 14
- Ringkanal
- 15; 15a
- Verteilerbohrungen
- 16; 16a
- Schwenkflügel
- 17
- Hilfsfeder
- 18
- Anschlagbolzen
- 19
- Druckkammer
- 20
- Federkammer
- 21
- Hilfsbohrung
- 22
- Kolbenschieber
- 23
- Winkelhebel
- 24; 24a
- Stellglied
- 25
- Druckfeder
- 26
- Kammer
- 27; 27a; 27b
- Ringnuten
- 28
- Abflusskanal
- 29
- Zulaufbohrung
- 30
- Ablaufbohrung
- 31
- Drossel
- 32; 32a
- Hydroventil
- 33; 33a
- Gewindespindel
- 34
- Schiebemuffe
- 35; 35a
- Axialexzenter
- 36
- Verdrängerkolben
1. Hubverstelleinrichtung für Doppelexzenterantriebe mit kontinuierlich gegeneinander
verstellbaren Doppelexzentern und hydraulisch/mechanisch gesteuertem Schwenkflügelsystem,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Federsystem (10;17) und/oder ein hydraulischer Steuerdruck Schwenkflügel (16;
16a) bis zu einem Anschlagbolzen (18) im Sinne einer Hubvergrößerung, in Gegenrichtung
Hubverkleinerung, verstellt, derart, dass eine im Gehäuse (1) in unmittelbarer Nähe
des Verstellsystems (2; 4; 8; 10;16; 16a; 17; 19; 20) eingebaute schaltbare Ventilkombination
(22; 24; 24a; 32; 32a) oder ein mit Gewindespindeln (33; 33a) arbeitendes System die
Bewegung der Schwenkflügel (16; 16a) steuert.
2. Hubverstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zuführbohrung (13) im Gehäuse (1) mit einer Ringnut (14) in der umlaufenden
Antriebswelle (2) oder in einem mit dieser verbundenen Drehstück kontinuierlich in
Verbindung steht und ein hydraulisches Steuermedium über Verteilerbohrungen (15) in
das Verstellsystem (2; 4; 8; 10; 16; 16a; 17; 19; 20) eingeleitet ist.
3. Hubverstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführbohrung (13) mit den Verteilerbohrungen (15) diskontinuierlich in Verbindung
steht und das hydraulische Steuermedium drehschieberartig dem Verstellsystem (2; 4;
8; 10; 16; 16a; 17; 19; 20) zuführt, derart, dass nur für den Bereich der u. T.-Stellung
des Rollenstößels (11) die Verbindung zwischen Zuführbohrung (13) und Verteilerbohrung
(15) hergestellt ist.
4. Hubverstelleinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Gehäuse (1) anliegender hydraulischer Vordruck über Hilfsbohrungen (21) die
Kraft der Federn (10; 17) unterstützt.
5. Hubverstelleinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein gesondert in die Federkammern (20) eingespeistes hydraulisches Steuermedium die
Kraft der Federn (10; 17) unterstützt, derart, dass ein hydraulisch oder über mechatronisch/mechanische
Elemente (23; 24) bewegter Kolbenschieber (22) oder ein anderes doppelt wirkendes
Ventil das hydraulische Steuermedium den Druck/Federkammern (19; 20) wechselseitig
zuführt.
6. Hubverstelleinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in jede Druckkammer (19) und in jede Federkammer (20) über eine Zulaufbohrung (29)
und über eine Ablaufbohrung (30) ein Steuermedium zu- und abführbar ist, derart, dass
in allen Kammern (19; 20) durch den Zulauf über (15; 29) ein gleichgroßer Steuerdruck
anliegt und über (15a; 30) mittels Stellglieder (24; 24a) und Hydroventile (32; 32a)
eine getrennt steuerbare Entlastung der Kammern (19; 20) erfolgt.
7. Hubverstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die miteinander verbundenen und gegeneinander zu verstellenden Teile (2; 3; 5; 6)
mit Gewindespindeln (33; 33a), die gegenläufige Steigungen besitzen, ausgestattet
sind und eine hydraulisch oder mechanisch betätigte Schiebemuffe (34) mit den Gewindespindeln
33; 33a) in Wirkverbindung steht.
8. Hubverstelleinrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Schmierstoffkanäle (12)zwischen dem Innenexzenter (3) und dem Außenexzenter (5) angeordnet
sind und mit dem Inneren des Gehäuses (1) in Verbindung stehen.
9. Hubverstelleinrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Axialkolbenmaschinen ein mit der Antriebswelle (2) fest verbundener Axialexzenter
(35) über das Verstell- und Steuersystem mit einem zweiten Axialexzenter (35a) gekoppelt
ist und alle erfindungsgemäßen Mittel (8; 15; 15a; 16; 16a; 19; 20) zwischen den Axialexzentern
(35; 35a) eingeschaltet sind.