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Hydraulische Schiffssteueranlage
Die Erfindung betrifft eine hydraulische Schiffssteueranlage mit einer von Hand betriebenen Steuer- ruderpumpe, einer Druckquelle, einer hydraulischen Steuermaschine am Ruder und einem Steuerventil, in dem sich ein oder mehrere von der Druckflüssigkeit aus der Steuerruderpumpe bewegte Ventilkörper befin- den, wie z. B. Schieber, die zum Schliessen und Unterbrechen der Verbindung zwischen der Druckquelle und der Steuermaschine dienen.
Die bekannten Steueranlagen der angeführten Art sind so eingerichtet, dass als Druckquelle für die maschinelle Bewegung der Steuermaschine eine kontinuierlich arbeitende Pumpe erforderlich ist, die einen ununterbrochenen Flüssigkeitsumlauf bewirkt, der, wenn die Steuermaschine nicht arbeitet, in einer kurzgeschlossenen Leitung erfolgt, d. h. dass die Pumpe unaufhörlich Flüssigkeit in einem geschlossenen
Kreislauf zirkulieren lässt.
In einigen Schiffen gibt es aber nicht eine solche Hilfsmaschinerie, die einen kontinuierlichen Je- trieb der Pumpe für die Steuermaschine ermöglicht. Dies ist der Fall, wenn die Pumpe von der Hauptmaschinerie des Schiffes betrieben werden soll. Es können dann Situationen entstehen, in denen für die Steuermaschine keine Druckflüssigkeit zur Verfügung steht, und es ist deshalb zweckmässiger, einen Druckakkumulator als Druckquelle zu verwenden, weil dadurch das Vorhandensein von Druckflüssigkeit unter allen Bedingungen gewährleistet werden kann.
Die bekannten Steuermaschinen können jedoch bei Verwendung eines Druckakkumulators nicht befriedigend funktionieren. Bei einer bekannten Steueranlage mit kombinierter Handsteuerung und maschineller Steuerung werden mit Hilfe des Steuerventils die Steuerradpumpe und eine maschinell betriebene Pumpe in Reihe verbunden, so dass die Druckflüssigkeit sowohl die Steuerradpumpe als auch die maschinell betriebene Pumpe durchfliesst. Dies ist aber nicht tunlich, wenn eine Druckquelle, wie z. B. ein Druckakkumulator, verwendet wird.
Die Erfindung bezweckt, eine Steueranlage der genannten Art zu schaffen, die so eingerichtet ist, dass sie in Verbindung mit einem Druckakkumulator befriedigend funktioniert und auch zur kombinierten Handsteuerung und Maschinensteuerung verwendet werden kann.
Die besonderen Merkmale der erfindungsgemässen Anlage bestehen darin, dass sich im Steuerventil zwei Druckkammern befinden, von denen jede mit einer Leitung zur Steuerradpumpe und einer Leitung zu einem Druckzylinder in der Steuermaschine verbunden ist, in welchen Druckkammern sich Schieber befinden, die so eingerichtet und so miteinander verbunden sind, dass eine Bewegung des einen Schiebers, entsprechend einer Volumenerhöhung der betreffenden Druckkammer, eine Bewegung des zweiten Schiebers bewirkt, die eine entsprechende Volumenverminderung in der zweiten Druckkammer verursacht, tvo- bei sich im Steuerventil Kanäle und Öffnungen befinden, die mit einigen mit den Schiebern verbundenen Steuerorganen so zusammenwirken, dass in der Steuermaschine in der neutralen Lage der Schieber zwei weitere Druckzylinder durch das Steuerventil kurzgeschlossen sind,
während-nachdem ein Schieber sich um eine gewisse Strecke bewegt hat-eine Verbindung zwischen der Druckquelle und demjenigen der weiteren Druckzylinder geöffnet wird, der das Ruder in der Strömungsrichtung der Druckflüssigkeit aus derjenigenDruckkammer des Steuerventils bewegt, welche die Bewegung der Schieber verursacht hat, während die zweite der weiteren Druckzylinder mit einer Abflussleitung ohne Druck verbunden wird.
Bei dieser Ausgestaltung wird durch das Drehen der Steuerradpumpe ein Verschieben der Schieber im Steuerventil verursacht, wobei die Druckquelle mit einigen besonderen Druckzylindern in der Steuerma-
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schine verbunden wird, so dass diese bewegt wird, und dadurch werden zugleich die mit den Druckkam- mem und der Steuerradpumpe verbundenen Druckzylinder bewegt, so dass die dadurch zum Steuerventilzu- rückgepresste Flüssigkeitsmenge das Bestreben hat, die Schieber in ihre Ausgangslage zurückzubringen. Falls die Druckquelle keinen ausreichenden Druck hat, kann die Steuermaschine direkt von der Steuerradpumpe aus bedient werden.
An eine Steueranlage wird oft die Anforderung gestellt, dass derRudergänger mitdem Ruder tFiZhlung" haben muss, d. h. dass er am Widerstand des Steuerrades gegen die Drehbewegung spüren kann, ob das Was- ser hart oder weniger hart gegen das Ruder presst, weil die Grösse dieses Drucks erkennen lässt, wie gross die Einwirkung der jeweiligen Ruderstellung auf die Drehbewegung des Schiffes ist.
Eine solche "Fühlung mit dem Ruder" kann erfindungsgemäss bewerkstelligt werden, wenn das Steuerventil so eingerichtet ist, dass die Druckflüssigkeit aus der Druckquelle während ihres Durchganges zum
Druckzylinder in der Steuermaschine auf den von der Steuerradpumpe bewegten Schieber einen mit stei- gendem Verstellwiderstand des Ruders steigenden und am Steuerrad fühlbaren Druck ausübt, der dem durch die Flüssigkeit aus der Steuerradpumpe auf den Schieber ausgeübten Druck entgegenwirkt, wobei die Flä- che, auf welche die Druckflüssigkeit aus der Druckquelle einwirkt, wesentlich kleiner ist als die von der Druckflüssigkeit aus der Steuerradpumpe belastete Fläche.
Die Flüssigkeitsdrücke in den beiden Druckzylinderabschnitten in der Steuermaschine werden vom Widerstand gegen die Drehbewegung des Ruders und vom Verhältnis zwischen den genannten Druckflächen des Schiebersystems im Steuerventil bestimmt. Der Flüssigkeitsdruck in den Leitungen, die von der Steuerradpumpe zum Steuerventil und damit zu den hiemit verbundenen Druckzylindern in der Steuermaschine führen, ist von dem aus den andern Druckzylindern herrührenden Flüssigkeitsdruck, der auf die kleinere Fläche wirkt und der Bewegung des Schiebers entgegenwirkt, abhängig.
Je grösser der Widerstand des Ruders gegen die Drehbewegung ist, ein umso grösserer Flüssigkeitsdruck wird in den Druckzylindern zum Überwinden des Widerstands erfordert, und umso grösser wird der Widerstand gegen die Bewegung der Schieber im Steuerventil, so dass die Grösse des Flüssigkeitsdrucks in der Steuerradpumpe von dem in den. mit der Druckquelle verbundenen Druckzylindern herrschenden Flüssigkeitsdruck abhängig ist ; der Druckanstieg wird wegen des-Unterschieds in den Grössen der Druckflächen erheblich kleiner sein als er sein würde, falls das Ruder allein durch Handkraft hätte gedreht werden müssen.
Ferner wird oft an eine Steueranlage die Anforderung gestellt, dass das Steuerrad von selbst zurückdreht, wenn es losgelassen wird. Dies kann erfindungsgemäss dadurch erzielt werden, dass die Schieber federbelastet sind, so dass ihrer durch die Steuerradpumpe verursachten Bewegung vom Federdruck entgegengewirkt wird.
Wenn das Steuerrad losgelassen wird, fällt der Flüssigkeitsdruck in der Druckkammer, die mit der Druckseite der Steuerradpumpe verbunden war, und die Feder wird den Schieber in seine Mittelstellung zurückdrücken, bei der, wie schon erwähnt, die beiden weiteren Druckzylinder durch das Steuerventil
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DadurchDruckzylindern die Möglichkeit, die Steuerradpumpe als hydraulischen Motor anzutreiben, und das Steuerrad wird sich drehen, solange noch ein ausreichender Druck auf das Ruder zum Überwinden des vorhandenen Widerstandes besteht.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen eine Ausführungsform einer Steuermaschine gemäss der Erfindung beschrieben. Fig. 1 zeigt die Steueranlage in schematischer Darstellung, Fig. 2 ist ein Schnitt durch ein Steuerventil und Fig. 3 stellt das Steuerventil von einer andern Seite gesehen, zum Teil im Schnitt, dar.
Die Steueranlage besteht aus einer Steuerradpumpe 1, einem Steuerventil 2, einer hydraulischen Steuermaschine 3, einer maschinell angetriebenen Flüssigkeitspumpe 4, einem Druckakkumulator 5 und einem Flüssigkeitsbehälter 6 mit atmosphärischem Druck.
Die Steuermaschine 3 besteht aus zwei hydraulisch getrennten Abschnitten, die mit 7 und 8 bezeichnet sind und Druckzylinder aufweisen, welche mit dem Ruder R des Schiffes gekuppelte Kolben enthalten.
Die Druckzylinder im Abschnitt 7 sind mittels Leitungen 9 und 10 mit zugeordneten Anschlussstutzen des Steuerventils 2 verbunden, während die Druckzylinder im Abschnitt 8 mittels Leitungen 11 und 12 mit andem Anschlussstutzen des Steuerventils 2 verbunden sind. Das Steuerventil 2 ist ferner durch Leitungen 13 und 14 mit der Steuerradpumpe 1 und durch Leitungen 15 und 16 mit der Pumpe 4 bzw. dem Druckakkumulator 5 und dem Behälter 6 verbunden.
Das Steuerventil 2 besteht aus einem Gehäuse mit einer Bohrung, die in Teile mit verschiedenem Durchmesser unterteilt ist. Der mittlere Teil der Bohrung ist mit 17 bezeichnet und zu jeder Seite desselben befinden sich zwei Teile 18 der Bohrung mit etwas kleinerem Durchmesser, wodurch sich an jedem
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Ende des Teiles 17 ein Bund 19 ergibt. Vor jedem Teil 18 befindet sich ein Teil mit etwas grösserem Durchmesser ; diese Teile, die nachfolgend Druckkammern benanntwerden, sind mit 20 bzw. 21 bezeichnet. Vor diesen Druckkammern befinden sich Bohrungsteile mit wesentlich kleinerem Durchmesser, in denen Büchsen 22 bzw. 23 befestigt sind.
Die äusseren Enden der durchgehenden Bohrung gehen in An- schlussstutzen für die Rohre 11 und 12 über, die zum Abschnitt 8 in der Steuermaschine 3 fuhren. Das Gehäuse des Steuerventils ist mit einem dritten Einlaufstutzen 24 versehen, der mit dem zur Pumpe 4 und zum Druckflüssigkeitsakkumulator 5 führenden Rohr 15 verbunden ist. Ferner ist ein Austrittsstutzen 25 vorgesehen, der mit dem zum Behälter 6 führenden Rohr 16 verbunden ist. Im Austrittsstutzen 25 befindet sich ein Rückschlagventil 26, welches durch Kanäle 27,28 und 29 mit Öffnungen 30 und 31 in den Büchsen 22 und 23 verbunden ist. In der Büchse 23 befinden sich ferner, wie Fig. 3 zeigt, Öffnungen 32, die über Kanäle 33 und 34 und ein Rückschlagventil 35 mit dem Stutzen 54 verbunden sind.
Auf der in Fig. 2 linken Seite befinden sich entsprechende, nicht gezeigte Kanäle für die Büchse 22, so dass hier diegezeigten Öffnungen 32 durch ein Rückschlagventil mit dem Stutzen 51 verbunden sind.
In den Bohrungen 18 im Gehäuse des Steuerventils sind zwei Schieber 36 und 37 angeordnet, die miteinander durch eine Stange 38 verbunden sind, welche mittels Stiften 39 an den Schiebern 36 und 37 be-
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die in den Büchsen 22 und 23 gelagert und mit axialen Bohrungen 42 bzw. 43 versehen ist. Die ringför- migen Stirnflächen 52 bzw. 55 der Schieber 36 und 37 sind den Druckkammern 20 bzw. 21 zugewendet und werden von dem hierin herrschenden Druck beeinflusst.
Auf der Stange 38 sind gleitend zwei Scheiben 44 und 45 gelagert, die mittels einer Druckfeder 46 gegen die bereits erwähnten Bünde 19 gepresst werden. Aus Fig. 2 ist unmittelbar ersichtlich, dass eine Be- wegung derbeiden durch die Stange 38 miteinander starr verbundenen Schieber 36 und 37 nach links eine
Bewegung der Scheibe 45 nach links und ein Zusammendrücken der Feder bewirkt, weil die Scheibe 44 an einer Bewegung nach links verhindert ist. Gleichzeitig mit den Schiebern 36 und 37 nehmen die Ver- längerungen 40 und 41 an der Bewegung teil. Auf gleiche Weise bewirkt eine Schieberbewegung nach rechts in Fig. 2 eine Bewegung der Scheibe 44 nach rechts unter Zusammendrücken der Feder 46, während die Scheibe 45 stehen bleibt.
In den Verlängerungen 40 und 41 befindensich Öffnungen 47 und 48, welche die Bohrungen 42 und 43 mit der Gleitfläche der Verlängerungen verbinden. In den Büchsen 22 und 23 befinden sich ferner Öffnun- gen 49 und 50, die in bestimmten Stellungen der Verlängerungen 40 und 41 sich mit den Öffnungen 47 und 48 decken.
Sowohl die Leitungen 9 und 10 als auch die Leitungen 13 und 14 sind mit den Druckkammern20 und21 verbunden, u. zw. sind die Leitungen 10 und 14 mit der Druckkammer 20 und die Leitungen 9 und 13 mit der Druckkammer 21 verbunden. Es ergibt sich somit ein ununterbrochener Flüssigkeitsstrom von der Steuerradpumpe 1 durch die Leitung 14, die Druckkammer 20 und die Leitung 10 zum Steuermaschinenabschnitt 7, und auf gleiche Weise ein Flüssigkeitsstrom durch die Leitung 9, die Druckkammer 21 und die Leitung 13.
Die Steuermaschine wirkt auf folgende Weise :
Beim Drehen des Steuerrades nach einer der Seiten wird die Steuerradpumpe 1 beeinflusst, so dass z. B. die Leitung 13 unter Druck gesetzt wird. Dieser Druck pflanzt sich durch die Druckkammer 21 und die Leitung 9 zur Steuermaschine fort, wo das Ruder gedreht wird. Solange der durch Drehen des Steuerrades erzeugte Druck nicht so gross ist, dass er den Widerstand der Feder 46 überwinden kann, wird das Ruder allein durch Handkraft gedreht, weil die Druckflüssigkeit, die durch die Leitung 15 aus dem Akkumulator 5 kommt, durch die Schieberverlängerungen 40 und 41 abgesperrt ist.
Bei der durch Handkraft erzeugten Bewegung der Steuermaschine und des Ruders wird aus dem linken Druckzylinder 7 und dem rechten Druckzylinder 8 Flüssigkeit herausgepresst und die aus dem Abschnitt 7 kommende Flüssigkeit wird durch die Leitung 10, die Druckkammer 20 und die Leitung 14 zur Steuerradpumpe 1 zurückgepresst. Die aus dem Druckzylinder zur rechten Seite des Abschnittes 8 herausgepresste Flüssigkeit wird durch die Leitung 11 zum Einlaufstutzen 51 am rechten Ende des Steuerventils gemäss Fig. 3 gedrückt und gelangt von dort durch die Öffnung 32 und, wie schon beschrieben, durch die Kanäle 33 und 34 zum Stutzen 54 und weiter durch das Rohr 12 zum linken Druckzylinder 8.
Wenn der Gegendruck vom Ruder so gross wird, dass der Druck in der Druckkammer 21 den Widerstand der Feder 46 übersteigt, so tritt eine Linksbewegung des gesamten Schiebersystems 40, 36, 38, 37 und 41 auf, weil der Flüssigkeitsdruck auf die ringförmige Fläche 55 einwirkt. Bei der Bewegung der Verlängerung 40 werden die Öffnungen 32 am linken Ende des Ventils abgesperrt, wodurch die Austrittskanäle 33,34, die diesem Ende des Ventils entsprechen, von der Verbindung mit der Leitung 11 abgeschnit-
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Anderseits entsteht eine Verbindung zwischen den Öffnungen 47 und 49, wodurch Druckflüs- sigkeitaus dem Rohr 15 durch den Einlaufstutzen24 und einem Kanal 56 zu den Öffnungen 49 in der Büch- se 22 gelangt, so dass Druckflüssigkeit durch die Bohrung 42 zum Rohr 12 strömen kann. Der linke Teil des Abschnittes 8 steht jetzt unter Pumpendruck, so dass dieser dem Abschnitt 7 hilft, das Ruder zu bewe- gen. Die Druckflüssigkeit, die von der rechten Seite des Abschnittes 8 verdrängt wird, gelangt durch die
Leitung 11 durch den Anschlussstutzen 51 in die Bohrung 43 und kann von hier aus. durch die Öffnung 31, die bei der Bewegung der Verlängerung 41 nach links freigegeben worden ist, und durch die Kanäle 28 und 29 zum Austrittsstutzen 25 und weiter durch die Leitung 16 zum Behälter 6 gelangen.
Die Verbin- dungvom Stutzen 54 über die Kanäle 34 und 33 zum Stutzen 51 ist vom Rückschlagventil 35 unterbrochen.
Der Druck, den die Druckflüssigkeit aus der Pumpe in der Bohrung 42 und im Auslaufstutzen 52 aus- übt, wirkt auf die Stirnfläche der Verlängerung 40, so dass der Bewegung des Schiebers 37 nach links in
Fig. 2 von dem Pumpenflüssigkeitsdruck auf die Verlängerung40 entgegengewirkt wird. Ferner wird die Ölmenge, die aus der linken Seite des Abschnittes 7 herausgepresst wird, durch die Leitung 10 die Druck- kammer 20 erreichen und der Bewegung des Schiebers 37 entgegenwirken.
Die Flüssigkeitsdrücke in den Druckzylindern 7 und 8 werden jetzt vom Widerstand gegen die Dreh- bewegung des Ruders und vom Verhältnis zwischen den Druckflächen des Schiebers 37 und der Verlänge- rung 40 bestimmt, und es ist daraus ersichtlich, dass der Flüssigkeitsdruck in den Rohrleitungen 13 und 9 und damit im Abschnitt 7 vom Druck der Feder 46 nebst dem vom Abschnitt 8 herrührenden Flüssigkeit- druck, der auf das Ende der Verlängerung 40 wirkt, abhängig ist.
Man hat dadurch"Fühlung"mit dem
Ruder erzielt, da ein umso grösserer Flüssigkeitsdruck im Abschnitt 8 zur Überwindung des Widerstandes erforderlich ist, je grösser der Widerstand des Ruders gegen die Drehbewegung ist, und da ferner der Druck auf das Ende der Verlängerung 40 durch das Schiebersystem zum Schieber 37 fortgepflanzt wird, wodurch die Grösse des Flüssigkeitsdrucks im Abschnitt 7 und damit in der Steuerradpumpe 1 vom Druck im Ab- schnitt 8 abhängig sein wird ; anderseits wird aber der Druckanstieg wegen der Differenz in der Grösse der
Druckflächen erheblich kleiner sein, als wenn das Ruder allein mit Handkraft hätte gedreht werden müssen.
Wenn das Steuerrad losgelassen wird, sinkt der Flüssigkeitsdruck auf den Schieber 37 und die Feder 46 drückt das Schiebersystem in seine mittlere Lage zurück, wodurch für die Druckflüssigkeit ein Umlauf von der einen zur ändern Seite des Abschnittes 8 durch das Ventil 2 geschaffen wird. Dadurch bekommt die
Druckflüssigkeit aus dem Abschnitt 7 die Möglichkeit, im Rahmen der Grösse des Federdrucks die Steuer- radpumpe 1 als hydraulischen Motor anzutreiben, und das Steuerrad dreht sich so lange, als noch ein zur Überwindung der Widerstände ausreichender Druck auf das Ruder vorhanden ist.
Bei der Bewegung zur andern Seite, wo die Leitung 14 die Druckleitung wird und das Schiebersystem in der Zeichnung nach rechts bewegt wird, ergeben sich analoge Verhältnisse, wobei jedoch die Druckflüssigkeit aus der Leitung 15 in diesem Falle durch Kanäle 53 und 54 zu den Öffnungen 50 und von dort durch die Bohrung 43 und den Stutzen 41 zur Leitung 11 strömt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Hydraulische Schiffssteueranlage mit einer handbetriebenen Steuerradpumpe, einer Druckquelle, einer hydraulischen Steuermaschine am Ruder und einem Steuerventil, in dem sich ein oder mehrere von der Druckflüssigkeit aus der Steuerradpumpe bewegte Ventilkörper, wie z. B.
Schieber befinden, welche die Verbindung zwischen der Druckquelle und der Steuermaschine schliessen oder unterbrechen, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Steuerventil zwei Druckkammern (20,21) befinden, von dener jede mit einer Leitung (13, 14) zur Steuerradpumpe (1) und mit einer Leitung (9,10) zu je einem der beiden Druckzylinder (7) in derSteuermaschine (3) verbunden ist, in welchen Druckkammern (20, 21) sich Schieber (36, 37) befinden, die so eingerichtet und so gegenseitig verbunden sind, dass eine Bewegung des einen Schiebers, entsprechend einer Volumenerhöhung der betreffenden Druckkammer, eine Bewegung des zweiten Schiebers bewirkt, die eine entsprechende Volumenverminderung in der zweiten Druckkammer verursacht, wobei sich im Steuerventil Kanäle und Öffnungen befinden,
die mit zwei mit den Schiebern verbundenen Steuerorganen (40 und 41) so zusammenwirken, dass zwei weitere Druckzylinder (8) in der Steuermaschine in der neutralen Stellung der Schieber (36, 37) durch das Steuerventil kurzgeschlossen sind, während-nachdem ein Schieber sich um eine gewisse Strecke bewegt hat-eine Verbindung zwischen der Druckquelle (5) und demjenigen der beiden weiteren Druckzylinder (8) geöffnet wird, der das Ruder in dergleichen Richtung wie die Druckflüssigkeit aus derjenigen Druckkammer (20,21) des Steuerventils bewegt, welche die Bewegung der Schieber (36, 37) verursacht hat, während der zweite der Druckzylinder (8) mit einer Abflussleitung (16) ohne Druck verbunden wird.