DE3018687A1

DE3018687A1 - Membran fuer hochdruckfoerderpumpen, kompressoren o.dgl.

Info

Publication number: DE3018687A1
Application number: DE19803018687
Authority: DE
Inventors: Fritz Ing.(grad.) 7990 Friedrichshafen Bachschmid; Wilfried Ing.(grad.) 7759 Immenstaad Goes
Original assignee: J Wagner GmbH
Current assignee: J Wagner GmbH
Priority date: 1980-05-16
Filing date: 1980-05-16
Publication date: 1981-12-10
Also published as: FR2482674B1; JPS578379A; FR2482674A1; DE3018687C2; US4785719A; IT8121669A0; IT1137015B; JPH0421072B2

Description

J. Wagner GmbH

799o Friedrichshafen 2

Membran für Hockdruckförderpumpen, Kompressoren oder dgl.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Membran für HochdruckfÖrderpumpen, Kompressoren oder dgl., die einen äußeren Einspannbereich, eine sich an diesen anschließende ringförmige Walkzone und einen mit einer Verdickung versehenen zentrischen Arbeitsbereich aufweist.

Derartige Membranen, bei denen zur Erhöhung der Festigkeit auf beiden Seiten eine Verdickung angeformt ist, sind bereits bekannt und werden mit Erfolg, insbesondere bei Pumpen, mittels denen abrasive Medien gefördert werden, verwendet, um den Pumpenkolben von diesen zu trennen. Zum Antrieb der am äußeren Rand zwischen zwei Bauteilen fest eingespannten Membran, die bei jedem Fördervorgang in gehäuseartige Ausnehmungen aus einer hinteren in eine vordere Anlageposition und zurückbewegt werden und dabei die Null-Lage Durchschwingen, dient meist ein

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hydraulisches Gestänge, d. h. eine unter Druck stehende und durch einen Druckkolben bewegte Flüssigkeitssäule. Es ist aber auch möglich, die Membran mechanisch durch einen Stößel, mittels eines Schaftes oder unmittelbar durch einen Kolben anzutreiben.

Diese als Kunststoff-Spritzgußteil hergestellte Membranen sind vor allem bei einem Einbau in Hochdruckförderpumpen starken Beanspruchungen ausgesetzt, so daß deren Lebensdauer verhältnismäßig gering ist. Insbesondere in der Walkzone, die im Betrieb durch das Schwingen nach beiden Seiten einem ständigen Lastwechsel unterworfen ist, treten mitunter schon nach kurzer Zeit Beschädigungen auf. Ein zeitaufwendiger Ausbau der Membran bzw. ein Austauschen der Pumpe und die damit verbundenen Betriebsunterbrechungen sind die zwangsläufige Folge.

Selbst bei durchgehend flach ausgebildeten Membranen, die keinen hohen Beanspruchungen ausgesetzt sind, tritt dieses Problem auf. Gemäß der DE-PS 27 42 139 ist bei einer solchen Membran dazu vorgesehen, daß sich an die Einspannzone eine dem freien Bereich der Membran zugewandte, diese beidseits haltende Führungszone anschließt, in der die Membran einspannungsfrei gehalten ist. Dadurch soll erreicht werden, daß Druck- und Biegespannungen nicht an derselben Stelle der Membran auftreten. Ob allerdings die Lebensdauer von mit Verdickungen versehenen Membranen auf diese Weise verlängert werden kann, ist fraglich. Vor allem ist bei dieser Ausgestaltung von Nachteil, daß durch die äußere und/oder innere, sich an die Einspannzone anschließende Führungszone zusätzlich Bauraum erforderlich ist, so daß die Membran und die diese aufnehmenden Bauteile im Durchmesser verhältnismäßig groß ausgeführt werden müssen.

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Es wäre zwar möglich, die Walkzone einer Membran derart zu dimensionieren, daß diese den jeweiligen Beanspruchungen standhält, damit würde aber das Walkverhalten in einem erheblichen Maße beeinträchtigt. Das überschüssige Material würde in diesem Fall unerwünschte Hohlraumbildungen begünstigen, auch wäre das Walkverhalten der Membran und damit die Förderleistung der mit dieser ausgestatteten Pumpe schlecht.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Membran für Hochdruckförderpumpen, Kompressoren oder dgl. der vorgenannten Art zu schaffen, di^ auch bei hohen Beanspruchungen gegenüber den bisher verwendeten Membranen eine wesentlich höhere Lebensdauer aufweist, so daß der unterbrechungsfreie Betrieb einer mit einer solchen Membran bestückten Pumpe merkbar vermindert werden kann. Außerdem soll erreicht werden, daß die Walkzone der Membran trotz großem Fördervolumen nur minimal gedehnt wird.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Membran auf der dem zu fördernden Medium zugekehrten Stirnseite im Bereich des Arbeitsraumes als nahezu ebene Fläche ausgebildet ist, daß die Verdickung auf der dem Antriebsmittel zugekehrten Stirnseite der Membran an dieser angeformt ist und daß die Walkzone eine zur Verdickung hin sich stetig vergrößernde Querschnittsfläche aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einer Membran der vorgenannten Gattung auch gelöst, wenn lediglich die Walkzone eine zur Verdickung hin sich stetig vergrößernde Querschnittsfläche aufweist.

Zur Bestimmung des Steigungswinkels der Walkzone ist es angebacht, an deren Übergang in die Verdickung ein Widerstandsmoment zu wählen, das etwa um den Faktor 1_f1 bis 5 höher ist als das Widerstandsmoment am Übergang der Walkzone in den Einspannbereich, wobei die Verhältnisse der Widerstandsmomente

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in die Materialstärken der Walkzone am Obergang der Verdickung in die Walkzone und von dieser in den Einspannbereich reich nach der Formel

36ο . 6 36ο . 6

umsetzbar sind; hierbei stellt k einen Faktor in der Größe von 1,1 bis 5 dar. Die Materialstärke der Membran an deren Übergang von der Einspannzone in den Einspannbereich sollte etwa o,5 bis 2 mm betragen.

Bei angenommenem Durchmesser der Walkzone im Übergang in den Einspannbereicl/sowie vorgegebenem Verdrängervolumen ist dieser Durchmesser aus dem Verlauf einer Kurve wählbar, die sich aus der trigonometrischen Funktion des Tangens des Auslenkwinkels Jr" zu dem angenommenen Durchmesser ergibt. Zweckmäßigerweise wird dieser Durchmesser in den Übergangsbereich der Kurve zwischen dem flachen und dem steilen Anstieg gelegt. Der Auslenkwinkel der Walkzone ist hierbei nach der Formel

tan

r-

d« - dvvariabel

aus dem Hub der Membran und der Differenz der halben Durchmesser der Walkzone bestimmbar.

Vorteilhaft ist es ferner, um die Membran durch die Kraft einer Feder jeweils in die Ausgangslage zurückzuführen, an der Verdickung einen sich senkrecht zu der Membran erstreckenden Membranschaft vorzusehen, an dem sich somit eine Druckfeder abstützen kann.

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- 1o -

Die Membran kann ferner auf der dem zu fördernden Medium zugekehrten Stirnseite, um dessen Abfluß zu begünstigen, mit radial gerichteten Einschnitten in Form von Nuten versehen sein, wobei es angebracht ist, daß sich diese etwa bis auf einen der Verdickung entsprechenden Durchmesser erstrecken.

In der dem zu fördernden Medium zugekehrten Stirnseite der Membran kann des weiteren eine konzentrische, vorzugsweise dem Einlaßventil in der Formgebung angepaßte Freisparung vorgesehen werden, deren Außendurchmesser derart zu bemessen ist, daß die Freisparung von der Verformung überdeckt wird.

Angebracht ist es ferner, die Verdickung im"Querschnitt trapezförmig auszubilden und in diese auf der dem Antriebsmittel zugekehrten Stirnseite und/oder der Kegelmantelfläche mit radial gerichteten Einschnitten in Form von Nuten zum verbesserten Abfluß der Antriebsdruckflüssigkeit einzuarbeiten.

Wird eine Membran gemäß der Erfindung gestaltet, indem diese auf der dem zu fördernden Medium zugekehrten Stirnseite als nahezu ebene Fläche ausgebildet wird, die Verdickung dagegen einseitig auf der anderen Stirnseite angeformt ist und die Walkzone eine sich zur Verdickung hin stets vergrößernde Querschnittsfläche aufweist, oder wobei lediglich die Querschnittsfläche der Walkzone sich zur Verdickung hin stetig vergrößert, ist es möglich, die Lebensdauer der Membran gegenüber den bisher verwendeten Ausführungen in einem erheblichen Maße zu verlängern. Eine derartige Membran schwingt nämlich nicht mehr nach beiden Seiten aus, sondern nur nach der dem Antriebsmittel zugekehrten Seite bzw. diese kann unabhängig oder in Verbindung mit der ebenen Fläche entsprechend den gegebenen Belastungen dimensioniert werden. Auch ist kein überschüssiges Material zu verdrängen. Die Walkzone wird demnach nur minimal gedehnt, eine hohe Standzeit ist damit gewährleistet.

13QÖ5Q/0Ö2Ö

Des weiteren wird durch die vorschlagsgemäße Ausgestaltung insbesondere bei nur einseitiger Ausbiegung der Membran erreicht/ daß auf der Seite des zu fördernden Mediums keine das Förderverhalten beeinträchtigenden Toträume auftreten. Die Membran kann sich vielmehr völlig plan an dem zugeordneten Gehäuseteil anlegen, so daß Lufteinschlüsse im Fördergut nahezu ausgeschlossen sind. Es wird somit nicht nur die Lebensdauer einer mit einer derartigen Membran bestückten Pumpe verlängert, sondern auch deren Förderleistung wesentlich verbessert.

Weitere Einzelheiten der gemäß der Erfindung ausgebildeten Membran sind dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel, das nachfolgend im einzelnen erläutert ist, zu entnehmen. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine mit einer Membran bestückte Hochdruckpumpe, teilweise im Schnitt,

Fig. 2 die Membran nach Fig. 1 als Einzelteil, teilweise in Ansicht und einem Schnitt, in Ruhelage,

Fig. 3 die Membran nach Fig. 2 in Ansicht von unten, Fig. 4 die Membran nach Fig. 2 in Draufsicht,

Fig. 5 die Membran nach Fig. 2 im Schnitt in ausgebogenem Zustand,

Fig. 6 einen vergrößerten Teilschnitt der Walkzone der Membran nach Fig. 1 und

Fig. 7 eine trigonometrische Funktion.

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Die Membranpumpe 1 nach Fig. 1 besteht im wesentlichen aus einer zwischen zwei mit Anlagescheiben 4 bzw. 5 versehenen Gehäuseteilen 2 und 3 eingespannten angetriebenen Membran 21, durch die ein Druckraum 6 von einem Arbeitsraum 7 getrennt ist. Zum Antrieb der Membran 21 dient hierbei ein in einem Zylinder 12 verschiebbar eingesetzter Kolben 11, der von einem nicht gezeigten Antriebsmittel, z. B. einem Exzenter angetrieben wird. Über eine Flüssigkeitssäule, die sich in dem Druckraum 6 befindet, wirkt der Kolben 11 auf die Membran 21 ein. Zu diesem Zweck ist die Scheibe 4 mit Bohrungen 14 versehen, durch die somit der Raum 13 zwischen der Membran 21 und der Scheibe 4 mit dem Druckraum 6 verbunden ist. Mittels eines Überdruckventils 15, das"über eine Leitung 16 an den Druckraum 6 angeschlossen ist, können Druckspitzen abgebaut werden.

An der Membran 21 ist ein mit einem Gewindeabschnitt 29 versehener Schaft 28 angeformt, auf den eine Mutter 17 aufgeschraubt ist. Und zwischen der Scheibe 4 und der Mutter 17 ist eine Druckfeder 18 eingesetzt, durch die die Membran 21 somit stets in die Ausgangslage zurückgedrückt wird, in der diese an der Scheibe 4 anliegt. Bei einem Saughub wird über eine Saugleitung 8, die mit einem Einlaßventil 9 ausgestattet ist, das zu fördernde Medium in den Arbeitsraum 7 gesaugt und bei einem Druckhub bei geschlossenem Einlaßventil 9 in eine Druckleitung 1o gefördert.

Die Membran 21 besteht, wie dies im einzelnen den Fig. 2 bis 6 zu entnehmen ist, aus einem Einspannbereich 22, der zwischen den Gehäuseteilen 2 und 3 bzw. den Scheiben 4 und eingespannt wird, einem Arbeitsbereich 23 und einer zwischen diesen vorgesehenen Walkzone 24. Des weiteren ist die dem Arbeitsraum 7 zugekehrte Stirnseite 25 der Membran 21 als

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plane Fläche ausgebildet, an der dem Druckraum 6 zugekehrten Stirnseite 26 dagegen ist eine Verdickung 27 angeformt, die in den Membranschaft 28 übergeht.

In die plane Stirnseite 25 sind radial gerichtete Einschnitte 3o in Form von Nuten eingearbeitet, damit das zu fördernde Medium leicht abfließen kann. Des weiteren ist eine konzentrische Freisparung 31 zur Aufnahme des Einlaßventils 9 vorgesehen. Auch die andere Stirnseite 26 der Membran 21 ist mit radial gerichteten Einschnitten 32, um die Antriebsdruckflüssigkeit abzuführen, versehen, und zwar sind die Einschnitte in die Stirnfläche der im Querschnitt trapezförmig gestalteten Verdickung 27 und auch in deren .Kegelmantelfläche eingearbeitet.

Die Walkzone 24 weist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine sich zur Verdickung 27 hin stetig vergrößernde Querschnittsfläche auf, wobei diese auf der Stirnseite 26 unter einem Steigungswinkelβ ansteigt. Die Größe des Steigungswinkels β wird aus den Widerstandsmomenten an den Übergängen a und b der Walkzone 24 in die Verdickung 27 bzw. den Einspannbereich 22 bestimmt. Und das Widerstandsmoment am Übergang b wird unter Zugrundelegung der Höchsbelastung für einen angenommenen Winkelausschnitt C^ , durch den die Breite b₂ für den äußeren Durchmesser d~ bestimmt ist und der auf Biegung beansprucht wird, errechnet. Da das Widerstandsmoment für den Übergang a um einen Faktor von 1,1 bis 5 höher sein sollte, als das Widerstandsmoment am Übergang b, ist dieses und damit der Steigungswinkel η ohne weiteres festzulegen.

Das Verhältnis der Widerstandsmomente wird analog umgesetzt in die Verhältnisse der Dicken h.. und h„ am Übergang a von der Verdickung 27 in die Walkzone 24 und am Übergang b von

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dieser in den Einspannbereich 22. Dieses Verhältnis ist gekennzeichnet durch die Formel

^d1 'Τ* * . h* - k . ^d2

36o . 6 36o . 6

wobei k einen Faktor in der Größe von 1,1 bis 5 darstellt. Außerdem wird davon ausgegangen, daß der Wert h« zwischen o,5 und 2 mm betragen soll.

Der maximale Hub s der Membran 21 soll bis 5 mm betragen. Da sich der Durchmesser d-, des Übergangs b aus dem gewünschten Fördervolumen ergibt und da der zulässige Hub bekannt ist, kann d~, um die Pumpe 1 auszulegen, hinreichend genau gewählt werden.

Der Auslenkwinkel /"der Walkzone 25 ist nach der Formel

tan

2 . s

- d^variabel

bestimmbar. Der Durchmesser d.. soll hierbei, wie dies in Fig. 7 dargestellt ist, im Übergangsbereich zwischen dem flachen und dem steilen Anstieg einer Kurve der trigonometrischen Funktion des Winkels y und dem variierten Durchmesser d.. gewählt werden.

14. Mai 198o e-A 5134

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Leerseite

Claims

Guido Enn-^har

J. Wagner GmbH

799o Friedrichshafen 2

Patentansprüche :

!.j Membran für Hochdruckförderpumpen, Kompressoren oder dgl., die einen äußeren Einspannbereich, eine sich an diesen anschließende ringförmige Walkzone und einen mit einer Verdickung versehenen zentrischen Arbeitsbereich aufweist,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Membran (21) auf der dem zu fördernden Medium (Einlaßventil 9) zugekehrten Stirnseite (25) im Bereich des Arbeitsraumes (7) als nahezu ebene Fläche ausgebildet ist, daß die Verdickung (27) auf der dem Antriebsmittel (Kolben 11) zugekehrten Stirnseite (26) der Membran (21) an dieser angeformt ist und daß die Walkzone (24) eine zur Verdickung (27) hin sich stetig vergrößernde Querschnittsfläche aufweist.

13005Q/0Ö28
2. Membran für Hochdruckförderpumpen/ Kompressoren oder dgl., die einen äußeren Einspannbereich, eine sich an diesen anschließende ringförmige Walkzone und einen mit einer Verdickung versehenen zentrischen Arbeitsbereich aufweist,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Walkzone (24) der Membran (21) eine zur Verdickung (27) hin sich stetig vergrößernde Querschnittsfläche aufweist.
3. Membran nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,

daß zur Bestimmung des Steigungswinkels (Zy) der Walkzone (24) an deren Übergang (a) in die Verdickung (27) ein Widerstandsmoment gewählt ist, das etwa um den Faktor 1,1 bis 5 höher ist als das Widerstandsmoment am Übergang (b) der Walkzone (24) in den Einspannbereich (22).
4. Membran nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Verhältnisse der Widerstandsmomente in die Materialstärken der Walkzone (24) am Übergang (a bzw. b) der Verdickung (27) in die Walkzone (24) und von dieser in den Einspannbereich (22) nach der Formel

^i ' f/ 'V 2 ^U2 * " * *** 2

36o . 6 36o . 6

umsetzbar sind, wobei k einen Faktor von 1,1 bis 5 darstellt.

130050/00.2*
5. Membran nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Materialstärke (h-) der Membran (21) an deren Übergang (b) von der Walkzone (24) in den Einspannbereich (22) etwa o,5 bis 2 mm beträgt.
6. Membran nach einem der Ansprüche 1 bis 5

und angenommenem Durchmesser der Walkzone im Übergang in den Einspannbereich sowie vorgegebenem Verdrängervolumen,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Durchmesser (d-) der Walkzone (24) im Übergang (a) in die Verdickung (27) aus dem Verlauf einer Kurve gewählt ist, die sich aus der trigonometrischen Funktion des Tangens des Auslenkwinkels (/") zu dem angenommenen Durchmesser (d₁) ergibt.
7. Membran nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Durchmesser (d~) der Walkzone (24) im Übergang (a) in die Verdickung (27) im Übergangsbereich der Kurve zwischen dem flachen und dem steilen Anstieg liegt.
8. Membran nach einem der Ansprüche 1 bis 7,

dadurch gekennzeichnet,

daß an der Verdickung (27) ein sich senkrecht zu der Membran (21) erstreckender Membranschaft (28) vorhanden ist.

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9. Membran nach einem der Ansprüche 1 bis 8/ dadurch gekennzeichnet,

daß die Membran (21) auf der dem zu fördernden Medium zugekehrten Stirnseite (25) mit radial gerichteten Einschnitten (3o) in Form von Nuten versehen ist.
10. Membran nach Anspruch 9,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Einschnitte (3o) sich etwa bis auf einen der Verdickung (27) entsprechenden Durchmesser erstrecken.
11. Membran nach einem der Ansprüche 1 bis 1o, dadurch gekennzeichnet,

daß in der dem zu fördernden Medium zugekehrten Stirnseite (25) der Membran (21) eine konzentrische, vorzugsweise dem Einlaßventil (9) in der Formgebung angepaßte Freisparung (31) vorgesehen ist.
12. Membran nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Außendurchmesser der Freisparung (31) derart bemessen ist, daß diese von der Verdickung (27) überdeckt ist.

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13. Membran nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet,

daß die Verdickung (27) im Querschnitt trapezförmig ausgebildet ist.
14. Membran nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet,

daß die Verdickung (27) auf der dem Antriebsmittel (Kolben 11) zugekehrten Stirnseite und/oder der Kegelmantelfläche mit radial gerichteten Einschnitten (32) in Form von Nuten versehen ist.

12. Mai 198o
A 5134

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