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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur drehzahlabhängigen Verstellung der relativen Drehlage zweier über ein gegen die Kraft einer Vorspannfeder hydraulisch betätigtes Stellglied miteinander gekuppelter, ein variables Drehmoment übertragender rotierender Wellen, insbesondere Spritzversteller für eine Einspritzpumpe, wobei der Hub des Stellgliedes durch eine von einem Fliehkraftfühler betätigte Ventilanordnung drehzahlabhängig festgelegt ist.
Zum Betrieb dieser bekannten Verstelleinrichtung ist es erforderlich, diese an das Druckschmiersystem der
Maschine oder eine anderweitige hydraulische Druckquelle anzuschliessen, welche die zur Bewegung des
Kupplungsteiles erforderliche Stellkraft liefert. Der von zwei Fliehgewichten gebildete Fliehkraftfühler steuert dabei lediglich den Zu- und Abfluss des Druckmittels zu dem als Kolben ausgebildeten Kupplungsteil, u. zw. derart, dass sich je nach Auslenkung der Fliehgewichte eine entsprechende Verschiebung des Kupplungsteiles einstellt. Diese Verschiebung wird durch den Eingriff des Kupplungsteiles in eine Schrägverzahnung der
Antriebswelle in eine relative Verdrehung der mit dem Kupplungsteil drehfest verbundenen Abtriebswelle gegenüber der Antriebswelle umgesetzt.
Bekannt sind weiters Verstelleinrichtungen, bei denen das Stellglied in zahlreichen Ausführungsformen aus einer mit der Antriebswelle umlaufenden axial verschieblichen Muffe besteht, deren Stellbewegung von umlaufenden Fliehgewichten abgeleitet und beispielsweise über eine mit der Abtriebswelle in Eingriff stehende
Schrägverzahnung in eine entsprechende Relativverdrehung umgewandelt wird. Diese bekannten Einrichtungen beanspruchen aber verhältnismässig viel Bauraum und bedürfen einer regelmässigen Wartung. Um die bei der Übertragung grösserer Drehmomente erforderlichen Stellkräfte aufbringen zu können, muss der Nachteil verhältnismässig grosser Fliehgewichte in Kauf genommen werden.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine insbesondere für die Verwendung als Spritzversteller geeignete Verstelleinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine gedrängte und gewichtssparende
Bauweise zulässt und die unter Vermeidung einer von aussen eingeleiteten Stellkraft übr eine für alle
Belastungsfälle ausreichende Verstellenergie verfügt.
Dieses Ziel wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass das
Stellglied von einer vom Drehmoment abgeleiteten Stellkraft betätigt und als in einem mit der Antriebswelle umlaufenden, eine Druckflüssigkeit enthaltenden Gehäuse gleitbarer, vorzugsweise durch eine Rückstellfeder belasteter hydraulischer Verstellkolben ausgebildet ist, in dem ein durch die Vorspannfeder in Richtung zur federbelasteten Seite des Verstellkolbens hin belasteter, ein Saugventil aufweisender Pumpenkolben gleitbar angeordnet ist, in den ein mit der Abtriebswelle umlaufender Mitnehmer eingreift,
dass der Raum vor der federbelasteten Stirnfläche des Pumpenkolbens über ein Druckventil des Verstellkolbens mit dem Raum vor der der Rückstellfeder abgewandten Stirnfläche des Verstellkolbens zusammenhängt und dass diese Räume mit dem übrigen druckflüssigkeitserfüllten Gehäuseraum über eine vom Fliehkraftfühler gesteuerte Leitung verbindbar sind.
Durch die Ausnutzung des zwischen der An- und der Abtriebswelle wirksamen Drehmomentes zum Antrieb des Stellgliedes und den Fortfall von Anschlüssen einer hydraulischen Druckquelle od. dgl. ergibt sich nicht nur eine wesentlich vereinfachte Konstruktion und eine entsprechend grössere Betriebssicherheit der Verstelleinrichtung, sondern auch eine weitgehende Freizügigkeit für die Anordnung der Einrichtung an der jeweiligen Maschine. Das gesamte hydraulische System, welches die Umwandlung der vorhandenen periodischen Drehmomentschwankungen in hydraulische Stellkräfte bewerkstelligt, ist in dem die Verstelleinrichtung enthaltenden Gehäuse eingeschlossen, so dass sich keinerlei Dichtprobleme ergeben und Betriebsstörungen durch Ausfall einer fremdn Druckquelle ausgeschlossen sind.
Die Verstelleinrichtung nach der Erfindung eignet sich deshalb besonders als Spritzversteller für eine Einspritzpumpe, weil in diesem Fall ein periodisch sich änderndes Drehmoment zur Verfügung steht. Die Verstelleinrichtung bleibt dabei in jenen Zeitabschnitten unwirksam, in denen die vom Drehmoment abgeleitete Stellkraft kleiner als die Kraft der Vorspannfeder des Stellgliedes ist. Sobald aber das Drehmoment über diesen Ansprechwert ansteigt, was während des Arbeitshubes eines Pumpenelementes der Einspritzpumpe der Fall ist, überwindet die Stellkraft die von der Vorspannfeder ausgeübte Gegenkraft. Das Stellglied führt nun einen Arbeitshub aus, der eine Relativverdrehung der beiden Wellen herbeiführt, sobald das Drehmoment wieder unter den Ansprechwert der Verstelleinrichtung abgesunken ist.
Solcherart werden die den aufeinanderfolgenden Spitzenwerten des Drehmomentes entsprechenden Einzelhübe des Stellgliedes summiert, u. zw. so lange, bis der der jeweils herrschenden Drehzahl zugeordnete, vorbestimmte Verdrehwinkel der beiden Wellen erreicht ist. Für die Zuordnung dieses Verdrehwinkels zur Antriebsdrehzahl ist der beispielsweise aus einem einzelnen Fliehgewicht bestehende Fliehkraftfühler verantwortlich, welcher das Stellglied bei Erreichen eines dem zugeordneten Verdrehwinkel entsprechenden Gesamthubes in seiner relativen Lage belässt.
Da die verwendete Druckflüssigkeit, z. B. Drucköl, zugleich als kraftübertragendes Medium und als Schmiermittel für die gesamte Einrichtung dient, beschränkt sich deren Wartung auf die gelegentliche Kontrolle des Flüssigkkeitsstandes im Gehäuse.
Gemäss einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung mündet die Verbindungsleitung in eine Steuerbohrung des Verstellkolbens, in der sich ein vom Fliehkraftfühler betätigter Steuerkolben befindet, der mit der Verbindungsleitung die an sich bekannte, den Hub des Verstellkolbens bestimmende Ventilanordnung bildet.
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Mit Hilfe des Steuerkolbens lässt sich die beabsichtigte drehzahlabhängige Begrenzung des Hubes des
Verstellkolbens und damit des Verdrehwinkels der beiden Wellen zueinander auf besonders einfache Art bewerkstelligen. Der Steuerkolben ist dabei in das Schmiersystem der Einrichtung miteinbezogen.
Bei Verwendung eines Steuerkolbens kann dieser erfindungsgemäss in an sich bekannter Weise in der
Steuerbohrung axial gleitbar geführt sein und nahe seinem inneren Ende eine Ringnut aufweisen, in deren Bereich die Verbindungsleitung in die Steuerbohrung mündet, und kann der Steuerkolben eine durchgehende Längsbohrung besitzen und die dem inneren Kolbenende näher gelegene Begrenzungskante der Ringnut mit einer von einem Absatz der Steuerbohrung gebildeten Steuerkante zusammenarbeiten. Die Begrenzung des
Verstellkolbenhubes kommt also durch eine Relativverschiebung des Steuerkolbens gegenüber dem Verstellkolben bis in eine Stellung, in der die Begrenzungskante des Steuerkolbens über die Steuerkante der Steuerbohrung hinaustritt, zustande.
Die aus der Verbindungsleitung austretende Druckflüssigkeit strömt sodann über die Ringnut und die Längsbohrung des Steuerkolbens ab, so dass der Verstellkolben unter der Wirkung seiner
Rückstellfeder in seine Ruhelage zurückzukehren trachtet. Durch die rückläufige Relativverschiebung des Verstellkolbens gegenüber dem Steuerkolben wird aber der freie Durchtrittsquerschnitt im Bereich zwischen der Begrenzungskante des Steuerkolbens und der Steuerkante der Steuerbohrung wieder verringert, so dass sich ein Gleichgewichtszustand einstellt, in dem die Relativbewegung zwischen den beiden Kolben zum Stillstand kommt.
Dieser stationäre Zustand bleibt dann so lange aufrecht, bis eine Änderung der Antriebsdrehzahl eintritt.
Gemäss einer andern Ausführungsform der erfindungsgemässen Einrichtung ist der Steuerkolben in der Steuerbohrung drehbar gelagert, weist eine mit der Mündung der Verbindungsleitung zusammenwirkende schräge Steuerkante auf und trägt an seinem äusseren Ende an einem radialen Arm ein durch eine Feder, insbesondere eine das äussere Kolbenende umgebende Wickelfeder, rückstellbares Fliehgewicht. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass sich durch entsprechende Formgebung der schrägen Steuerkante des Steuerkolbens eine beliebige Drehzahl-Drehwinkelcharakteristik vorgeben lässt. Ausserdem entfällt die Zwischenschaltung eines mechanischen Übertragungsgliedes zwischen dem Drehzahlfühler und dem Steuerkolben.
Schliesslich kann nach der Erfindung die Spannung der Vorspannfeder des Pumpenkolbens und bzw. oder der Rückstellfeder des Verstellkolbens in bekannter Weise, z. B. mittels verstellbarer Widerlager, veränderbar sein.
Dadurch besteht die Möglichkeit, ein und dieselbe Verstelleinrichtung mit verschiedenen, dem jeweiligen Verwendungszweck angepassten Charakteristiken auszustatten.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen Fig. l den Schnitt einer Verstelleinrichtung nach der Erfindung, senkrecht zur Achse der beiden Wellen, Fig. 2 einen Schnitt einer Einzelheit der Einrichtung nach Fig. l in vergrössertem Massstab, Fig. 3 einen der Fig. 2 entsprechenden Schnitt einer abgewandelten Ausführungsform nach der Erfindung und Fig. 4 Diagramme zur Erläuterung der Funktionsweise der erfindungsgemässen Verstelleinrichtung.
Die Verstelleinrichtung nach den Fig. l und 2 besteht aus einem im wesentlichen zylindrischen Gehäuse welches mit der in den Zeichnungen nicht ersichtlichen Antriebswelle der Verstelleinrichtung im Sinne des eingezeichneten Pfeiles umläuft. Die koaxial zur Antriebswelle angeordnete Abtriebswelle --2-- ragt mit ihrem Ende in das Gehäuse-l-hinein. In einer quer zur Achse der Abtriebswelle --2-- im Abstand von dieser im Gehäuse--l-angeordneten Bohrung-3--ist ein Verstellkolben--4--axial gleitbar angeordnet, der an der einen Stirnseite --5-- durch eine Rückstellfeder --6-- belastet ist.
In einer Bohrung --7-- des Verstellkolbens --4-- ist ein Pumpenkolben --8-- axial verschiebbar angeordnet, welcher sich mit der der Rückstellfeder--6--abgekehrten Stirnfläche--9--über eine als
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--10-- auf- -11-- einstellbar ist, drückt den Pumpenkolben--8--in die aus den Zeichnungen ersichtliche Endlage.
Der Verstellkolben --4-- weist eine Öffnung --15-- auf, durch die der Hebelarm --16-- eines mit der Abtriebswelle--2--umlaufenden Mitnehmers--17-, welcher in eine Ausnehmung --18-- des Pumpenkolbens --8-- eingreift, hindurchgeht.
Der Verstellkolben --4-- besitzt eine weitere, zur Bohrung --7-- parallele Steuerbohrung --19--,
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--20-- axialan, welcher ein durch eine Rückstellfeder--31--belastetes Fliehgewicht--32--trägt.
Alle Hohlräume des Gehäuses--l--sind mit Druckflüssigkeit erfüllt. Der die Rückstellfeder-6-des
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Verstellkolbens--4--enthaltende Raum--33--steht dabei mit den den Fliehkraftfühler enthaltenden Hohlraum --28- in Verbindung. Der von der gegenüberliegenden Stirnfläche --24-- des Verstellkolbens --4-- gelegene Raum ist mit--34--bezeichnet.
Aus Fig. 3 ist eine abgewandelte Ausführungsform der erfindungsgemässen Verstelleinrichtung ersichtlich.
Diese Konstruktion unterscheidet sich von der Ausführung nach Fig. l und 2 nur in bezug auf den Steuerkolben und den Fliehkraftfühler. Der Steuerkolben --20'-- ist in der Steuerbohrung --19'-- des Verstellkolbens --4'-- drehbar gelagert und weist eine mit der Mündung der Verbindungsleitung--23'-- zusammenarbeitende schräge Steuerkante -26'-- auf. In eine querverlaufende Gewindebohrung --35-- des Steuerkolbens -20'-- ist ein Gewindebolzen --36-- eingeschraubt, dessen äusseres Ende als Fliehgewicht - ausgebildet ist. Die Gewindeverbindung ist durch eine Gegenmutter --38-- gesichert. Der
Steuerkolben stützt sich mit einem verjüngten Fortsatz --39-- axial an einem die Bohrung -3'-- für den
Verstellkolben --4'-- abschliessenden Deckel --40-- ab.
Um den zylindrischen Fortsatz--39--ist eine
Wickelfeder--41--angeordnet, deren eines Ende als den Gewindebolzen--36--umgebendes Auge ausgebildet ist und deren anderes Ende sich an der Bohrung -3'-- abstützt. Diese Wickelfeder--41--bildet die Rückstellfeder für das Fliehgewicht--37--.
Für die beiden Ausführungen der erfindungsgemässen Verstelleinrichtung ergibt sich mit Bezug auf die
Diagramme nach Fig. 4 folgende Funktionsweise :
Die an der Abtriebswelle angeschlossene Maschine, beispielsweise eine Einspritzpumpe, nimmt ein periodisch wechselndes Drehmoment--Md--auf, wie aus dem Diagramm a) der Fig. 4 (Drehmoment Md über der Zeit t) ersichtlich. Dieses Drehmoment belastet den Pumpenkolben --8- der Verstelleinrichtung über den am Ende der Abtriebswelle--2--angeordneten Mitnehmer--17--mit einer dem Drehmoment proportionalen Stellkraft in einer der Drehrichtung des mit der Antriebswelle umlaufenden Gehäuses--l-- entgegengesetzten Richtung. Der Pumpenkolben --8- wird daher in der der Wirkungsrichtung seiner
Vorspannfeder--10--entgegengesetzten Richtung belastet.
Die Vorspannfeder --10-- hält den
Pumpenkolben--8--so lange in der aus Fig. l ersichtlichen Ruhelage fest, als die Stellkraft kleiner als die
Vorspannkraft der Feder--10--ist, d. h. also, so lange das Drehmoment unter einem vorbestimmten Ansprechwert--Mda--der Verstelleinrichtung bleibt. Dies ist bei dem dargestellten Drehmomentverlauf beispielsweise in den Zeitabschnitten 0 bis tl, t2 bis t3 usw. der Fall. Da der vor der Stirnfläche --24-- des
Verstellkolbens--4 bzw. 4'--gelegene, mit Druckflüssigkeit gefüllte Raum--34--abgeschlossen ist, weil der Steuerkolben-20 bzw. 20'--die Verbindungsleitung-23 bzw. 23'--geschlossen hält, verbleibt der Verstellkolben--4 bzw. 4'--vorerst in der Ruhestellung und sein Hub ist gleich Null.
Im Diagramm b) der
Fig. 4 ist der Hub --s-- des Pumpenkolbens --8-- gegenüber dem Gehäuse--l--mit vollen Linien, in bezug auf den Verstellkolben --4-- hingegen mit gestrichelten Linien eingezeichnet. Desgleichen ist auch der Verdrehwinkel α in den Diagrammen c) und e) der Fig. 4 zwischen der An- und Abtriebswelle der Einrichtung Null. Die Rückstellfeder --6-- des Verstellkolbens sorgt dabei dafür, dass bei kurzzeitigem Auftreten eines negativen Drehmomentes, also bei einem Voreilen der Abtriebswelle -2- gegenüber der Antriebswelle, keine unbeabsichtigte Verschiebung des Verstellkolbens -4-- in der Drehrichtung erfolgt. Im Diagramm d) der Fig. 4 ist weiters die Relativverdrehung av eines Punktes des Verstellkolbens --4 bzw. 4'-- zum Gehäuse --1-ersichtlich.
Schliesslich zeigt das Diagramm e) der Fig.4 die Relativverdrehung der An- und Abtriebswelle für den Fall der Aufsteuerung der Verbindungsleitung-23 bzw. 23--durch den Steuerkolben-20 bzw. 20'-- bei Erreichen des Sollwertes des Verdrehwinkels an.
Zum Zeitpunkt--t--überschreitet das übertragene Drehmoment--Md--den vorgegebenen Ansprechwert--Mda---Die vom Mitnehmer --17- auf den Pumpenkolben--8--ausgeübte Stellkraft überwindet nun die Kraft der Vorspannfeder --10-- und verschiebt den Pumpenkolben --8-- aus seiner Ruhelage in der dem Drehsinn der Einrichtung entgegengesetzten Richtung.
Dadurch wird über das Druckventil - 14-- eine dem Hub des Pumpenkolbens --8-- entsprechende ölmenge in den Raum --34-- gedrückt und der Verstellkolben--4 bzw. 4'--verschiebt sich um eine entsprechend den Flächenverhältnissen des Pumpen- und Verstellkolbens gegenüber dem Hub des Pumpenkolbens --8-- verkleinerte Strecke, u. zw. gleichsinnig zum Drehsinn der Einrichtung. Da der Pumpenkolben --8- im Verstellkolben gelagert ist, wird dadurch seine Gesamtverschiebung in bezug auf das Gehäuse-l-vermindert, wie aus dem Diagramm b) ersichtlich. Zum Zeitpunkt--tE-erreicht das übertragene Drehmoment--Md--seinen Höchstwert und der Pumpenkolben --8-- die grösste Verschiebung.
Mit dem Beginn des Rückganges des Pumpenkolbens-8- schliesst das Druckventil--14--, der Verstellkolben--4 bzw. 4'--verbleibt daher in seiner neuen Lage, wogegen der Pumpenkolben --8-- durch die Vorspannfeder --10-- in seine Ausgangslage im Verstellkolben --4 bzw. 4'--zurückgeführt wird, die sich allerdings nun zur ursprünglichen Lage im Drehsinn der Einrichtung um A a verdreht hat. Bei Rückkehr des Pumpenkolbens --8- in die Ruhestellung wird über das Saugventil --13-- und die Bohrung --12-- Druckflüssigkeit aus dem Raum-33-in den vor der Stirnfläche --9-- des Pumpenkolbens --8-- gelgenen Raum gesaugt. Der Pumpenkolben --8-- ist somit für einen weiteren Arbeitshub vorbereitet.
Sobald das Drehmoment --Md-- zum Zeitpunkt --t3-- erneut den Ansprechwert-Mda--
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überschreitet, wiederholt sich der oben beschriebene, zum Zeitpunkt --t4 -- abgeschlossene Vorgang. Zu diesem Zeitpunkt hat sich der Hub des Verstellkolbens--4 bzw. 4'--und der Verdrehwinkel a auf etwa den doppelten Wert vergrössert. Dieser Vorgang wiederholt sich nun so lange, bis der Verdrehwinkel der beiden Wellen den der jeweils herrschenden Drehzahl-n-zugeordneten, vorbestimmten Sollwert (an im Diagramm e) der Fig. 4), dem ein vorbestimmter Sollhub des Verstellkolbens-4 bzw. 4'- entspricht, erreicht hat.
In diesem Augenblick steuert der Steuerkolben-20 bzw. 20'-die bisher abgeschlossene Verbindungsleitung--23 bzw. 23'--auf und die Druckflüssigkeit im Raum--34--, welche zufolge der Belastung durch die Stellkraft des Mitnehmers --17-- und die Rückstellfeder-6-unter Überdruck steht, kann nun über die Abströmbohrungen-21-des Steuerkolbens-20 bzw. 20'-in den Gehäuseraum - austreten.
Der Verstellkolben-4 bzw. 4'--verschiebt sich nun unter der Voraussetzung einer gleichbleibenden Antriebsdrehzahl--n--m einer dem Drehsinn entgegengesetzten Richtung, u. zw. nur um eine sehr kleine Strecke, da durch die rückläufige Bewegung des Verstellkolbens--4 bzw. 4'--die Verbindungsleitung-23 bzw. 23'--von dem seine Stellung beibehaltenden Steuerkolben--20 bzw. 20'--
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zwischen den beiden Wellen aufrechterhalten wird.
Eine Änderung dieses stationären Zustandes tritt erst ein, wenn sich die Antriebsdrehzahl--n-ändert, beispielsweise auf einen niedrigeren Wert absinkt. Die verringerte Fliehkraft des Fliehgewichtes--32 bzw. 37-führt dann zu einer entsprechenden Verstellung des Steuerkolbens --20-- bzw. 20'--. So wird beispielsweise der Steuerkolben--20--bei abnehmender Antriebsdrehzahl tiefer in die Steuerbohrung--19--
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Die Begrenzung des Hubes des Verstellkolbens --4'-- beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 in Abhängigkeit von der Drehzahl erfolgt sinngemäss wie beim vorgenannten Ausführungsbeispiel. Hier findet einerseits eine Relativverschiebung des Verstellkolbens-4'-gegenüber dem axial unverschieblich gehaltenen Steuerkolben--20'--und anderseits eine Relativverdrehung zwischen dem drehfest gehaltenen Verstellkolben - und dem durch das Fliehgewicht --37-- axial verdrehbaren Steuerkolben --20'-- statt. Der erwähnte stationäre Zustand ist dann erreicht, wenn die schräge Steuerkante--26'--des Steuerkolbens --20'-- die Ausmündung der Verbindungsleitung--23'--in die Steuerbohrung--19'--aufzusteuern beginnt.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungs- und Anwendungsbeispiele. So ist es beispielsweise möglich, die hydraulisch betätigten Bauelemente durch rein mechanische Übertragungsglieder, beispielsweise Hebelanordnungen zu ersetzen. Auch hinsichtlich der Hubbegrenzung für das Stellglied bieten sich dem Fachmann andere als die dargestellten Lösungsmöglichkeiten an. Die Hubbegrenzung kann beispielsweise durch eine mechanische Sperre, ein fliehkraftbetätigtes Steuerventil od. dgl. verwirklicht werden.
Ausser der bevorzugten Anwendung der Verstelleinrichtung als Spritzversteller ist auch die Verwendung als Zündverstelleinrichtung für Brennkraftmaschinen denkbar, bei der gleichfalls eine Relativverdrehung der Antriebswelle gegenüber der Abtriebswelle des Zündverteilers in Abhängigkeit von der Drehzahl erforderlich ist.
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