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Die
Erfindung betrifft einen hydraulischen Steuerschieber gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 die Verwendung eines hydraulicheschen Steuerschiebers
nach Anspruch 8 und einen hydraulischen Fahrzeugantrieb nach Anspruch
9.
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Hydraulische
Steuerschieber dieser Art sind im Stand der Technik bekannt; ein
Beispiel zeigt die Firmendruckschrift „Axialkolben-Motoren Baureihe 90" der Firma Sauer – Sundstrand
GmbH & Co. mit der
Drucknummer SMF9, 06/92,699801D. Diese Steuerschieber dienen dazu,
in Abhängigkeit
von dem Druck der Hydraulikflüssigkeit
in zwei die Hydraulikflüssigkeit
führenden
Leitungen zu bewirken, dass Hydraulikflüssigkeit mit dem niedrigeren
Druck durch die Auslass-Bohrung abströmt, sobald der Druckunterschied
eine bestimmte Höhe
erreicht hat.
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Ein
typisches Anwendungsgebiet für
einen derartigen hydraulischen Steuerschieber sind hydraulische
Fahrzeugantriebe mit einem geschlossenen Hydrokreislauf, der eine
Verstellpumpe, einen die Antriebsräder des Fahrzeugs antreibenden
Hydromotor und zwei die Verstellpumpe und den Hydromotor verbindende
Leitungen für
die Hydraulikflüssigkeit
umfasst. Da sich im normalen Fahrbetrieb die Hydraulikflüssigkeit
erheblich erwärmt,
ist ein ständiger
Austausch der Hydraulikflüssigkeit
erforderlich, und auch der Hydromotor muss gekühlt werden. Hierzu dient der
erwähnte
hydraulische Steuerschieber in der Form eines Spülschiebers, der beim Erreichen
eines bestimmten Druckunterschiedes in der Hin- und Rückleitung
des Hydromotors öffnet
und einen Spülstrom
von der Niederdruckseite durch ein Spüldruck-Begrenzungsventil strömen lässt. Auf
diese Weise kommt im normalen Fahrbetrieb ein dauernder Leckage-Strom
zustande, der etwa 10% des maximalen Umlaufes der Hydraulikflüssigkeit
im geschlossenen Kreislauf betragen kann.
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Die
bekannten hydraulischen Steuerschieber der genannten Art sind derart
ausgebildet, dass in der neutralen Mittelstellung des Schieberkolbens die
beiderseitigen vorgespannten Druckfedern zwar den Schieberkolben
beidseitig beaufschlagen, zugleich aber auch an Anschlägen des
Schiebergehäuses
anliegen. Sobald der erwähnte
Druckunterschied der Hydraulikflüssigkeit
in den beiden Zuleitungsbohrungen des Steuerschiebers eine erste
geringe Verschiebung des Schieberkolbens in dem Gehäuse bewirkt,
ist deshalb die in Richtung der Verschiebebewegung vorgespannte
Druckfeder wirkungslos, weil sie an dem Anschlag des Schiebergehäuses zur Ruhe
kommt. Der Schieberkolben kuppelt gewissermaßen von dieser Druckfeder ab,
so dass nur noch die andere, der Verschiebebewegung entgegenwirkende
Druckfeder wirksam bleibt. Die unter dem höheren Druck stehende Hydraulikflüssigkeit
muß somit
die entgegengesetzt auf den Schieberkolben einwirkenden Kräfte überwinden,
die aus der noch wirksam bleibenden Druckfeder und der Hydraulikflüssigkeit
mit dem geringeren Druck herrühren.
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In
den praktischen Anwendungsfällen
wird zumeist mit hohen Drücken
und starken Druckfedern gearbeitet. Im Falle der Spülschieber
wird mit Vorspannkräften
der Federn gearbeitet, die einem Öffnungsdruck aus der neutralen
Mittelstellung von 7 bis 16 bar entsprechen. Unter dem gewählten Betriebsbedingungen
arbeiten die hydraulischen Steuerschieber nach dem Stand der Technik
einwandfrei. Schwierigkeiten entstehen jedoch, wenn derselbe hydraulische
Steuerschieber auch bei geringeren Druckunterschieden und einem
häufigen
Wechsel der Zuleitungsbohrungen als Hoch- und Niederdruckseite arbeiten
sollen. Das kann dazu führen,
dass ein derartiger Steuerschieber in seiner neutralen Mittelstellung
verbleibt, in der der Durchfluss von Hydraulikflüssigkeit gesperrt ist, obwohl
auch bei diesen geringeren Druckunterschieden und den damit verbundenen
Schwankungen aus betrieblichen Gründen ein Öffnen dringend geboten ist.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrune, einen hydraulischen Steuerschieber
der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem nicht nur bei den
gewohnten hohen und gleichbleibenden Druckunterschieden eine sichere
Funktion gewährleistet
ist, sondern auch bei einem geringen und wechselnden Unterschied
des hydraulischen Druckes in den Zuleitungsbohrungen.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des kennzeichnenden
Teils des Anspruchs 1.
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Im
Gegensatz zu dem Steuerschieber gemäß dem Stand der Technik, bei
dem die Druckfedern schon in der neutralen Mittelstellung an einem Gehäuseanschlag
anliegen, wird gemäß der Erfindung
für jede
Druckfeder ein durch einen Anschlag begrenzter Ausdehnungsweg ausgehend
von dem Zustand der Vorspannung vorgesehen. Wenn in diesem Fall
ein sich aufbauender geringer Druckunterschied zwischen der Hoch-
und Niederdruckseite den Schieberkolben aus seiner neutralen Mittelstellung zu
verschieben sucht, so ist dies sehr leicht möglich, weil die im Sinne der
Verschiebung eingestellte Druckfeder die beginnende Verschiebung
unterstützt.
Die Wirkungen der beiden Druckfedern heben sich auch während der
beginnenden Verschiebung noch gegenseitig auf, so dass der Druckunterschied bis
auf die üblichen
Reibungsverluste allein zur Beschleunigung des Schieberkolbens dient.
Dieser Zustand währt
solange, bis die sich entspannende, die Verschiebebewegung unterstützende Druckfeder
an ihrem Anschlag zur Ruhe kommt, der ihr zur Verfügung stehende
Ausdehnungsweg somit aufgebraucht ist. Diese Stellung wird als Zwischenstellung bezeichnet;
der Bereich zwischen der neutralen Mittelstellung und dieser Zwischenstellung
ist der erfindungsgemäß gewonnene
zusätzliche
Steuerbereich, in dem ein schnelles Ansprechen auf geringe Druckunterschiede
gewährleistet
ist.
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Wächst der
Druckunterschied weiterhin an, so muss allein der Druck der Hydraulikflüssigkeit
aus der Zuleitungsbohrung mit dem höheren Druck die in entgegengesetzter
Richtung wirkende Federkraft und den Druck der Hydraulikflüssigkeit
auf der Seite des Niederdrucks überwinden,
bis schließlich
die gewohnte ausgeschobene Endstellung erreicht ist.
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Zugleich
wird bei dem erfindungsgemäßen Steuerschieber
vorgesehen, dass mit Annäherung des
Schieberkolbens an die Zwischenstellung bereits eine Verbindung
zwischen der Auslass-Bohrung und der Zuleitungsbohrung niedrigeren
Druckes hergestellt ist, wobei allerdings der Strömungsquerschnitt dieser
Verbindung geringer eingestellt ist als bei überschrittener Zwischenstellung
des Schieberkolbens. Es hat sich nämlich überraschenderweise gezeigt,
dass für
viele Anwendungszwecke gerade im Falle geringer Druckunterschiede
zwischen Hoch- und Niederdruckleitung eine verringerte Durchflussmenge
gerade diesen Betriebsverhältnissen
am besten entspricht. Das ist ganz besonders bei dem schon erwähnten Anwendungsfall
der Ölkühlung in
einem hydraulischen Fahrzeugantrieb der Fall, wie weiter unten noch
näher ausgeführt werden
wird.
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Die
Ansprüche
2 bis 7 sind auf bauliche Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen
des erfindungsgemäßen Steuerschiebers
gerichtet.
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So
kann gemäß Anspruch
2 der in der Gehäusebohrung
des Schiebergehäuses
gleitende Schieberkolben nach wie vor als ein wirtschaftlich zu fertigendes
drehsymmetrisches Teil hergestellt werden. Die Kombination von ersten,
an dem Schieberkolben ausgebildeten Steuerkolben mit unmittelbar daran
anschließenden
Durchgangsbunden von verringertem Durchmesser bewirkt auf einfachste
Weise, dass in dem ersten Arbeitsbereich des Steuerschiebers zwischen
der neutralen Mittelstellung und der Zwischenstellung der Durchflussquerschnitt
verringert ist.
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Nach
der vorteilhaften Weiterbildung gemäß Anspruch 3 bleibt sichergestellt,
dass auch der Schieberkolben des erfindungsgemäßen Steuerschiebers auf einfache
Weise mit den zweiten Steuerkolben durch die Hydraulikflüssigkeit
gesteuert werden kann.
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Die
Anordnung von Druckstößeln gemäß Anspruch
4 ist eine baulich einfache Art, eine gemeinsame Bewegung der Druckfedern
mit dem Schieberkolben zunächst
aufrechtzuerhalten, dann jedoch, nach dem Erreichen der Zwischenstellung,
die beiden Teile voneinander abzukoppeln. Die Anordnung von Druckstößeln mit
einem Federteller ermöglicht
zudem den Einbau verschiedenartig gestalteter Druckfedern.
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Für Wartung,
Montage und spätere
Verstellmöglichkeiten
ist es besonders vorteilhaft, wenn gemäß Anspruch 5 die Druckfedern
in gesonderten Federgehäusen
untergebracht sind.
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Die
Anordnung von Schraubenfedern gemäß Anspruch 6 gewährleistet
die Verwendung von Normteilen sowie eine wirtschaftliche Fertigung
und Montage.
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Es
muss hier erwähnt
werden, dass der erfindungsgemäße Steuerschieber
durch einfache Abwandlung eines von der Anmelderin verwendeten Steuerschiebers
nach dem Stand der Technik hergestellt werden konnte, indem lediglich
der Schieberkolben etwas länger
als bisher auszuführen
und zugleich die schon vorhandenen ersten Steuerkolben abzudrehen
waren, um durch Abstufung zu Ringbunden eine zusätzliche Durchflussmöglichkeit
für die Hydraulikflüssigkeit
zu schaffen. Hingegen konnten die Schiebergehäuse unverändert bleiben.
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Anspruch
7 umfasst den Einbau des erfindungsgemäßen Steuerschiebers in einen
Hydromotor; Steuerschieber und Hydromotor haben somit ein gemeinsamen
Gehäuse.
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Diese
Ausbildung zielt auf einen sehr wichtigen praktischen Anwendungsfall
des erfindungsgemäßen Steuerschiebers
ab.
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Die
Erfindung betrifft deshalb auch die Verwendung eines hydraulischen
Steuerschiebers nach einem der Ansprüche 1 bis 7 als Spülschieber
in einem hydraulischen Fahrzeugantrieb.
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Wie
eingangs bereits ausgeführt
wurde, muss schon im normalen Fahrbetrieb ein Teil des maximalen Ölumlaufes
im geschlossenen Kreislauf ständig
ausgewechselt werden. Der erfindungsgemäße Spülschieber eröffnet hierzu
weitere Steuerungsmöglichkeiten,
die auch schon bei geringen Druckunterschieden zwischen Hin- und
Rückleitung des
Hydromotors erzielt werden können.
Hierzu ist der erfindungsgemäße Steuerschieber
an den verschiedensten Einbaustellen sehr vorteilhaft; er muss also
nicht unbedingt in das Gehäuse
des Hydromotors eingebaut sein.
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Die
Erfindung betrifft schließlich
auch einen hydraulischen Fahrzeugantrieb mit einem geschlossenen
Hydrokreislauf gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 9.
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Derartige
hydraulische Fahrzeugantriebe gehören zum Stand der Technik.
Wie eingangs schon ausgeführt
worden ist, sind dabei Spülschieber
geläufig,
die die Niederdruckseite, also diejenige Seite, die das Öl zur Verstellpumpe
zurücktransportiert,
mit dem Spüldruck-Begrenzungsventil
verbindet. Dieses Spüldruck-Begrenzungsventil
ist auf einen niedrigeren Druck der Hydraulikflüssigkeit eingestellt als das Fülldruck-Begrenzungsventil
der üblicherweise
vorhandenen Füllpumpe.
Auf diese Weise wird dauernd eine künstliche Leckage erzeugt. Der
Spülschieber ist
nach dem Stand der Technik mit Druckfedern ausgestattet, die bei
gleichem Druck zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite
den Schieberkolben in seine neutrale Mittelstellung schieben, in der
keine Ausspülung über das
Spüldruck-Begrenzungsventil
erfolgt. Bei deutlichen Druckunterschieden zwischen Hochdruck- und
Niederdruckseite, etwa einem Öffnungsdruck
entsprechend zwischen 7 und 16 bar, öffnet hingegen der Spülschieber
und führt
die Niederdruckseite an das Spüldruck-Begrenzungsventil.
Im normalen Fahrbetrieb arbeiten diese Systeme einwandfrei.
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Schwierigkeiten
entstehen jedoch, wenn das Fahrzeug nicht mehr von der Brennkraftmaschine angetrieben
wird, sondern im Schiebebetrieb oder auch Negativbetrieb genannt,
geschoben wird. Hierbei schiebt die Fahrzeugmasse das Fahrzeug z.B. bei
einer Gefällefahrt,
wodurch Hochdruck- und Niederdruckseite des geschlossenen Hydrokreislaufs wechseln,
der Hydromotor als Pumpe arbeitet und ein Drehmoment an die Verstellpumpe
abgibt, dass dann von dem Dieselmotor aufgenommen werden müsste. In
diesem Schiebebetrieb treten Phasen auf, bei denen die Hochdruck-
und Niederdruckseite dicht beieinander liegen, so dass der Schieberkolben
des Spülschiebers
in seiner neutralen Mittelstellung verbleibt. Bei sehr starken Spülschiebern,
die auf 14 bis 16 bar Öffnungsdruck
ausgelegt werden, kann es vorkommen, dass Betriebsdrücke von
+/- 28 bis 32 bar auftreten, ohne dass der Spülschieber schaltet. Somit erfolgt
auch kein Austausch von Öl
aus dem geschlossenen Kreislauf. Das Öl erwärmt sich sehr stark und kann
zu Schäden
des Hydromotors führen.
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Versuche
mit einer zusätzlichen
Temperaturregelung oder mit dem Austausch der Druckfedern gegen
schwächere
Druckfedern haben zu keinem befriedigendem Ergebnis geführt. Vielmehr
wurden im Betrieb starke Druckschwankungen festgestellt, die als
Ruck durch das gesamte Fahrzeug gingen und nicht erwünscht sind.
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Somit
ist es ein weiteres Ziel der Erfindung, einen hydraulischen Fahrzeugantrieb
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 9 derart auszubilden, dass auch im Schiebebetrieb
eine einwandfreie Kühlung
der Hydraulikflüssigkeit
und ein Fahrverhalten ohne Beanstandungen gewährleistet ist.
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Auf überraschende
Weise wurde diese Aufgabe mit den Merkmalen des kennzeichnenden
Teils des Anspruchs 9 gelöst.
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Es
hat sich nämlich
herausgestellt, dass im Schiebebetrieb ein Spülstrom von geringerem Volumen
vollständig
ausreichend ist, sofern ein schnelles und leichtes Ansprechen des
Spülschiebers
auch bei geringeren Druckunterschieden zwischen Hoch- und Niederdruckleistung
gewährleistet
ist.
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Die
konstruktiven Einzelheiten für
diesen hydraulischen Fahrzeugantrieb sind im Anspruch 10 umfasst
und bereits mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bis 7 angegeben.
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Hierzu
wird das Spüldruck-Begrenzungsventil über eine
Verbindungsleitung an den Speisedruckkreis für den geschlossenen Hydrokreislauf
angeschlossen, der üblicherweise
durch eine Füllpumpe versorgt
wird. Diese zusätzliche
Verbindungsleitung sorgt dafür,
dass in der neutralen Mittelstellung des Schieberkolbens ein ständiger Fluss
von Hydraulikflüssigkeit über das
Spüldruck-Begrenzungsventil
erfolgt und vor allem das Motorgehäuse kühlt. Im normalen Fahrbetrieb,
wenn also der Schieberkolben sich in seiner ausgeschobenen Endstellung
befindet und die Niederdruckseite des Hochdruckkreises an das Spüldruck-Begrenzungsventil
geführt
wird, fließt aufgrund
der Druckverhältnisse
im geschlossenen Hydrokreislauf, der den Hydromotor umfasst, keine Hydraulikflüssigkeit über die
zusätzliche
Leitung. Es können
somit keine Speiseverluste der Hydraulikflüssigkeit auftreten. In diesem
Falle ist im normalen Fahrbetrieb wie auch im Schiebebetrieb keine
Zusatzspülung
erforderlich. Nur dann, wenn aufgrund der oben beschriebenen Druckverhältnisse
der Spülschieber
den Durchfluss in unerwünschter
Weise sperrt, wird quasi als Stand-By-Funktion Hydraulikflüssigkeit über die
zusätzliche
Verbindungsleitung in das Motorgehäuse geschoben.
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Die
Erfindung wird anschließend
noch näher in
einem Ausführungsbeispiel
erläutert,
das in den Figuren dargestellt ist. Die Figuren zeigen das Folgende:
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1 ist
ein Längsschnitt
durch den erfindungsgemäßen hydraulischen
Steuerschieber, wobei sich der Schieberkolben in seiner neutralen
Mittelstellung befindet.
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2 zeigt
eine der 1 entsprechende Schnittdarstellung,
wobei sich der Schieberkolben in einer Zwischenstellung befindet.
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3 entspricht
den 1 und 2 mit dem Unterschied, dass
der Schieberkolben sich in seiner ausgeschobenen Endstellung befindet.
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Die 4a bis 4c enthalten
Einzelheiten der Darstellungen gemäß den 1 und 3.
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4a zeigt
den Schieberkolben wieder in seiner neutralen Mittelstellung.
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4b gibt
eine Zwischenstellung des Schieberkolbens wieder.
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4c ist
eine Darstellung bei ausgeschobener Endstellung des Schieberkolbens.
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5 enthält eine
schematische Darstellung eines hydraulischen Fahrzeugantriebes mit
einem geschlossenen Hydrokreislauf, wobei ein erfindungsgemäßer Steuerschieber
eingebaut ist.
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In
der Darstellung gemäß 1 ist
mit den abgebrochenen Linien ein Gehäuse 1 des erfindungsgemäßen Steuerschiebers
angedeutet. Das Gehäuse
kann z.B. dasjenige eines Hydromotors sein, in den der Steuerschieber
eingebaut ist. An das Gehäuse 1 sind
zwei Federgehäuse 2a,
b seitlich angeschraubt, die mit Verschlussschrauben 3a,
b verschlossen sind. In den Federgehäusen 2a, b befinden
sich die Druckfedern 4a, b, die über Druckstößel 5a, b einen Anpressdruck
in Richtung auf das Gehäuseinnere
ausüben.
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In
dem Gehäuse 1 befindet
sich der Schieberkolben 6, der aus einem einzigen Stück besteht und
an jeder Stelle einen zylindrischen Querschnitt aufweist, dabei
jedoch in der Längsansicht
eine abgestufte Kontur zeigt. Wie aus den 1 bis 3 hervorgeht,
ist der Schieberkolben in Längsrichtung symmetrisch
aufgebaut. Er bildet in der Mitte ein schaftförmiges Mittelteil 7 von
verringertem Durchmesser. An das Mittelteil 7 schließen nach
links und rechts Durchgangsbunde 9a, b und erste Steuerkolben 8a,
b an. Besonders die vergrößerten Darstellungen
gemäß 4a bis 4c zeigen
deutlich, dass die Durchgangsbunde einen kleineren Durchmesser aufweisen
als die ersten Steuerkolben. An die ersten Steuerkolben 8a,
b schließt
beidseitig nach außen wieder
ein Trennsteg 10a, b von verringertem Durchmesser an, wobei
diese Trennstege die Verbindung zwischen den ersten Steuerkolben 8a,
b und zweiten Steuerkolben 11a,b herstellen. Beidseitig
nach außen
folgen auf die zweiten Steuerkolben 11a,b Druckstifte 12a,
b, die im zusammengebauten Zustand ihrerseits an die Druckstößel 5a,
b anstoßen.
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Es
soll noch einmal betont werden, dass die Bezeichnungen "erster Steuerkolben 8a,
b" und "zweiter Steuerkolben 11a,
b" nur unterschiedliche Funktionen
bezeichnen, nicht aber gesonderte Teile. Erste und zweite Steuerkolben
bilden zusammen mit dem schaftförmigen
Mittelteil 7, dem Durchgangsbund 9a, b, den Trennstegen 10a,
b und den Druckstiften 12a, b ein einziges Teil, nämlich den
Schieberkolben 6.
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Dabei
haben die ersten Steuerkolben 8a, b und zweiten Steuerkolben 11a,
b denselben Außendurchmesser,
der an eine Gehäusebohrung 13 des Gehäuses 1 angepasst
ist, so dass der Ventilschieber darin gleiten kann. Mit 14a,
b sind Bohrungsabschnitte bezeichnet, die die Gehäusebohrung
nach außen,
in Richtung auf die Federgehäuse 2a,
b fortsetzen. Zwischen den Bohrungsabschnitten 14a, b und
den Stirnseiten der Federgehäuse 2a,
b öffnen sich
Druckkammern 15a, b, die einen größeren Durchmesser aufweisen
als die Gehäusebohrung 13. Die
in den Federgehäusen 2a,
b ausgebildeten Federbohrungen gehen an den dem Gehäuse 1 zugewandten
Seiten der Federgehäuse 2a,
b in Stößelbohrungen 16a,
b von verringertem Durchmesser über.
In den Stößelbohrungen 16a,
b gleiten im zusammengebauten Zustand die Druckstifte 12a,
b des Schieberkolbens 6.
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An
der Übergangsstelle
zwischen den Federbohrungen 17a, b zu den Stößelbohrungen 16a,
b sind Ringschultern ausgebildet, die als Anschläge 18a, b dienen,
die weiter unten noch erläutert
werden sollen.
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Von
den Druckstößeln 5a,
b hat jeder einen Federteller 19a, b und einen Stößelstift 20a,
b. Die Stößelstifte 20a,
b gleiten dabei ebenfalls in Stößelbohrungen 16a,
b und schlagen dort im zusammengebauten Zustand an den Stirnseiten
der Druckstifte 12a, b an, was im Einzelnen noch erläutert werden soll.
Die Einwärtsbewegung
der Druckstößel 5a,
b, die unter dem Einfluss der Druckfedern 4a, b zustande
kommt, findet ihr Ende, wenn die Federteller 19a, b an
den Anschlägen 18a,
b anliegen.
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In
die Gehäusebohrung 13 des
Gehäuses 1 münden zwei
Zuleitungsbohrungen 21, 22, die im Betriebszustand
von der Hydraulikflüssigkeit
beaufschlagt werden. Je nach Betriebszustand kann der Druck der
Hydraulikflüssigkeit
in den Zuleitungsbohrungen 21, 22 gleich hoch
oder mehr oder weniger stark unterschiedlich sein. Jede der Zuleitungsbohrungen 21, 22 kann
im Betrieb diejenige Bohrung sein, die die Hydraulikflüssigkeit
mit dem höheren oder
niedrigeren Druck führt.
Mit 23 ist die Auslass-Bohrung bezeichnet, durch die hindurch
die Hydraulikflüssigkeit
den Steuerschieber wieder verlässt. Der
Schieberkolben 6 kann innerhalb der Gehäusebohrung 13 unterschiedliche
Stellungen annehmen. Hierbei wird der zwischen der neutralen Mittelstellung I,
einer Zwischenstellung II und einer ausgeschobenen Endstellung III
unterschieden. Je nachdem, welche Stellung vorliegt, ist die Verbindung
zwischen einer der Zuleitungsbohrungen 21, 22 mit
der Auslass-Bohrung 23 gesperrt oder unterschiedlich weit
geöffnet.
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Die
Einzelheiten hierzu gehen aus den 4a bis 4c besonders
gut hervor.
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1 und 4a zeigen
den Schieberkolben 6 in seiner neutralen Mittelstellung.
Hierbei verschließen
die ersten Steuerkolben 8a, b den Zugang zu der Gehäusebohrung 13;
es besteht keine Verbindung zwischen den Zuleitungsbohrungen 21, 22 und der
Auslass-Bohrung 23.
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In
der Darstellung gemäß den 2 und 4b ist
das Ende der Zwischenstellung II erreicht. Hierbei befindet sich
der eine erste Steuerkolben 8b im Bereich der Zuleitungsbohrung 22,
während
der benachbarte Durchgangsbund 9b im Mündungsbereich der Gehäusebohrung 13 angekommen
ist. Infolgedessen besteht eine Strömungsverbindung zwischen der
Zuleitungsbohrung 22, der Gehäusebohrung 13 und
der Auslassbohrung 23. Allerdings ist im Hinblick auf den
geringen Durchmesser-Unterschied zwischen der Gehäusebohrung 13 und
dem Durchgangsbund 9b der Durchgangsquerschnitt sehr gering.
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Wird
hingegen gemäß den 3 und 4c die
ausgeschobene Endstellung III des Schieberkolbens 6 erreicht,
so liegt das gesamte schaftförmige Mittelteil 7,
das einen stark verringerten Durchmesser aufweist, in dem Bereich
zwischen der Auslass-Bohrung 23 und der Zuleitungsbohrung 22.
Infolgedessen besteht jetzt eine Strömungsverbindung von stark vergrößertem Querschnitt
zwischen der Zuleitungsbohrung 22 und der Auslass-Bohrung 23.
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Es
muss noch erwähnt
werden, dass im Bereich der Bohrungsabschnitte 14a, b eine
in den 1 bis 3 nur angedeutete Zusatzverbindung zwischen
den Zuleitungsbohrungen 21, 22 und den Druckkammern 15a,
b gebildet ist. Diese kann z.B. in kleinen Nuten bestehen, die die
kreisförmige
Bohrung für
die zweiten Steuerkolben 11a, b nach außen bereichsweise erweitern.
Oder es kann eine Anflächung
an den zweiten Steuerkolben 11a,b vorgesehen sein. Diese
zusätzliche
Verbindung, die in den 1 bis 3 durch
Pfeile 42a, b angedeutet ist, stellt sicher, dass Hydraulikflüssigkeit
auch in die Druckkammern 15a, b eindringen kann, was für die Funktion
des beschriebenen Steuerschiebers unumgänglich ist.
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Im
folgenden wird erklärt,
wie sich der hydraulische Steuerschieber im zusammengebauten Zustand
unter dem Einfluss der Hydraulikflüssigkeit verhält.
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Es
sei zunächst
angenommen, dass sich der Steuerschieber in seiner Mittelstellung
gemäß den 1 und 4a befindet
und dass der Druck der Hydraulikflüssigkeit in den Zuleitungsbohrungen 21, 22 gleich
hoch ist. In dieser Stellung befindet sich der Schieberkolben in
einer "schwimmenden" Mittelstellung.
Die beiden Druckfedern 4a, b stehen unter Vorspannung,
wobei jedoch die Federteller 19a, b nicht an den Anschlägen 18a,
b anliegen. Die gesamte Axiallänge
des Schieberkolbens einschließlich
seiner Druckstifte 12a, b ist nämlich größer, als es dem gegenseitigen
Abstand der Druckstößel voneinander entsprechen
würde,
wenn deren Federteller 19a, b an den Anschlägen 18a,
b anliegen könnten.
Für jede der
beiden Druckfedern 4a, b ist ein Ausdehnungsweg 24a,
b zur Verfügung
gestellt, bis ihr zugehöriger Druckstößel 5a,
b an seinem Anschlag 18a, b zur Ruhe kommt.
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Wenn
sich der Druck der Hydraulikflüssigkeit beispielsweise
in der Zuleitungsbohrung 21 allmählich erhöht, bewirken die Druckunterschiede
in den Druckkammern 15a, b, dass sich der Schieberkolben 6 nach
der Seite der Zuleitungsbohrung 22 mit dem geringeren Druck
hin verschiebt. Diesen Zustand geben die 2 und 4b wieder.
Wenn der axiale Verschiebungsbereich der ersten Steuerkolben 8a,
b überschritten
ist, kommt unter dem Einfluss des sich erhöhendem hydraulischen Druckes
auf der Seite des niedrigeren Druckes der Durchgangsbund 9b in dem
Bereich der Zuleitungsbohrung 22 zu liegen. Somit wird
Hydraulikflüssigkeit
von niedrigerem Druck aus der Zuleitungsbohrung 22 über den
geringen Durchgangsquerschnitt zwischen Gehäusebohrung 13 und
dem Durchgangsbund 9b zur Auslass-Bohrung 23 strömen. In
diesem mittleren Bereich ist die Verschiebung des Schieberkolbens 6 selbst
bei sehr geringen Druckunterschieden möglich. Der Schieberkolben 6 steht
nämlich
in diesem Bereich noch unter dem Einfluss der beiden Druckfedern 4a,
b, so dass die auf der Seite des höheren hydraulischen Druckes befindliche
Druckfeder 4a die Verschiebebewegung des Schieberkolbens 6 unterstützt. Der
Schieberkolben kann infolgedessen selbst auf kleine Druckschwankungen
reagieren und wechselseitig eine Verbindung zwischen der Zuleitungsbohrung
auf der Seite des niedrigeren Druckes mit der Auslass-Bohrung 23 öffnen oder
schließen.
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Sobald
doch der Druck der Hydraulikflüssigkeit
in der Zuleitungsbohrung 21 erheblich höher ist als derjenige in der
Zuleitungsbohrung 22, wird der Schieberkolben dermaßen weit
zur Seite des niedrigeren Druckes, in den Figuren also nach rechts,
geschoben, dass der Druckstößel 5 auf
der Seite des höheren
Druckes mit seinem Federteller 19a an dem Anschlag 18a anschlägt, womit
die Einwirkung der Druckfeder 4a auf den Schieberkolben 6 aufhört. Es tritt
von diesem Zeitpunkt an eine geänderte
Steuercharakteristik ein, indem nämlich der hydraulische Druck
in der Zuleitungsbohrung 21 allein gegen den niedrigeren
hydraulischen Druck in der Zuleitungsbohrung 22 und die
auf dieser Seite befindliche Druckfeder 4b einwirken muß. Die 4c zeigt
besonders deutlich, dass in diesem Zustand ein größerer Strömungsquerschnitt
für das Überströmen von Hydraulikflüssigkeit
niedrigeren Druckes zur Auslass-Bohrung 23 geöffnet ist.
In diesem Zustand hat der Steuerschieber die Funktion, entweder
klar zu öffnen
oder zu schließen.
Die schnell wechselnden Übergänge zwischen Öffnen und
Schließen,
wie sie in der durch einen Bereich gegebenen Zwischenstellung II
möglich
waren, kommen jetzt nicht mehr vor.
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Die
eben beschriebene Wirkungsweise stellt sich in entsprechender Weise
auch dann ein, wenn die Hoch- und Niederdruckseite bei den Zuleitungsbohrungen 21, 22 vertauscht
sind.
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Die 5 erläutert den
Einbau eines zuvor beschriebenen hydraulischen Steuerschiebers gemäß der Erfindung
als Spülschieber 40 in
einem hydraulischen Fahrzeugantrieb mit einem geschlossenen Hydrokreislauf.
Der Hydrokreislauf wird durch eine Verstellpumpe 31 und
einen Hydromotor 32 gebildet, die durch Leitungen 36a,
b verbunden sind. Die Verstellpumpe 31 wird durch einen
Verbrennungsmotor, zumeist einen Dieselmotor angetrieben, während der
Hydromotor 32 auf die Antriebsräder des Fahrzeugs einwirkt.
Mittels eines Servoventils 33 lässt sich die Verstellpumpe 31 stufenlos
in beide Richtungen verstellen. In der Verstellpumpe 31 sind eine
Hochdruckregeleinrichtung und Hochdruckkreis-Einspeisung 34 untergebracht,
die verhindern, dass der durch die Pumpe und den Ölstrom aufgebrachte
Hochdruck einen Maximalwert überschreitet. Zusammen
mit der Verstellpumpe 31 wird eine Füllpumpe 35 angetrieben,
die den geschlossenen Kreislauf ständig mit ausreichend Öl versorgt
und die Versorgung des Servosystems gewährleistet. Ein Fülldruck-Begrenzungsventil 38 begrenzt
den maximalen Förderdruck
der Füllpumpe.
Die Hochdruckleitungen 36a, b verbinden die Verstellpumpe 31 mit dem
Hydromotor 32, wobei je nach Vorwärts- oder Rückwärtsfahrt jede der Leitungen 36a oder 36b die Hydraulikflüssigkeit
mit dem betrieblich höheren
oder niedrigeren Druck führen
kann. Mit 37 sind die üblichen
Leckölleitungen
für jeweils
eine Systemkomponente bezeichnet; dabei wird in der Regel jede Leckölleitung
in einem anderen Gehäuse
untergebracht.
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In
den Hydromotor 32 ist der Spülschieber 40 eingebaut,
der gemäß den 1 bis 4c ausgebildet
ist. Der Spülschieber 40 und
der Hydromotor 32 haben somit ein gemeinsames Gehäuse. Der Spülschieber 40 verbindet
wahlweise eine der Hochdruckleitungen 36a, b mit einem
Spüldruck-Begrenzungsventil 39.
Die Steuerung des Spülschiebers 40 erfolgt
dabei ebenfalls durch den in den Hochdruckleitungen 36a,
b herrschenden hydraulischen Druck der dort strömenden Hydraulikflüssigkeit.
Bei 43a, b sind die Druckkammern mit den zweiten Steuerkolben
angedeutet, welche in der schon beschriebenen Weise unter dem Druck
der Hydraulikflüssigkeit
die Verschiebung des Schieberkolbens in dem Spülschieber 40 bewirken.
Beim Öffnen
des Spüldruck-Begrenzungsventils 39 fließt Hydraulikflüssigkeit
von der Seite des jeweils niedrigeren Druckes in kleineren oder
größeren Mengen
durch das gemeinsame Gehäuse
von Spülschieber 40 und
Hydromotor 32, so dass dieser gekühlt wird. Schließlich ist
das Spüldruck-Begrenzungsventil 39 zusätzlich über eine Verbindungsleitung 41 an
die Füllpumpe 35 für den Speisedruckkreis
angeschlossen.
-
Anschließend wird
die Funktion des in 5 schematisch dargestellten
geschlossenen Hydrokreislaufs hinsichtlich der Motorkühlung beschrieben. Im
normalen Fahrbetrieb treibt der Verbrennungsmotor die Verstellpumpe 31 an
und fördert
Hydraulikflüssigkeit über die
Leitung 36a zum Hydromotor 32, von dem die Hydraulikflüssigkeit
mit verringertem Druck über
die Leitung 36b zur Verstellpumpe 31 zurückströmt. Es besteht
ein erheblicher und eindeutiger Druckunterschied zwischen der Hydraulikflüssigkeit in
der Leitung 36a und derjenigen in der Leitung 36b. Infolgedessen öffnet der
Spülschieber 40 die
Verbindung zwischen der Leitung 36b, welche den niedrigeren
Druck der Hydraulikflüssigkeit
aufweist, mit dem Spüldruck-Begrenzungsventil 39.
Dieses Spüldruck-Begrenzungsventil
ist niedriger eingestellt als das Fülldruck-Begrenzungsventil 38,
so dass eine ständige
künstliche
Leckage erzeugt wird. Diese dauernde Leckage, auch Ausspülmenge genannt, beträgt ca. 10%
des maximalen Ölumlaufes
im geschlossenen Kreislauf.
-
Diese
klaren Verhältnisse
werden allerdings gestört,
wenn das Fahrzeug in den Schiebebetrieb gerät, der auch Negativbetrieb
genannt wird. Das ist der Fall, wenn das Fahrzeug bei einer Gefällefahrt geschoben
wird. Dann wird die ursprüngliche
Hochdruckseite des geschlossenen Kreislaufs zur Niederdruckseite;
die Hydraulikflüssigkeit
wird von den Hydromotor 32, der jetzt als Pumpe wirkt,
gefördert
und ergibt ein Drehmoment an der Verstellpumpe 31, das von
den Dieselmotor aufgenommen werden muss. In diesem Schiebebetrieb
können
die hydraulischen Drücke
auf der Hochdruck- und
Niederdruckseite sehr dicht aneinander liegen und sehr schnell wechseln.
Wenn jetzt der Spülschieber
mit sehr starken, einen hydraulischen Druck von 14 bis 16 bar entsprechenden
Druckfedern ausgestattet ist, so kann der Antrieb in einem Bereich
von +/- 28 bis 32 bar betrieben werden, ohne dass der Spülschieber
schaltet und ohne dass Öl
aus dem geschlossenen Kreislauf ausgetauscht wird. Dies führt zu einer
raschen Erwärmung
der Hydraulikflüssigkeit
und auch des Gehäuses
des Hydromotors 32. Der Einbau von schwächeren Druckfedern kann dieses
Problem nicht beseitigen. Aufgrund der Druckverluste und Strömungskräfte im geschlossenen
Kreislauf würde
die Schaltung des Spülschiebers
nämlich
nicht mehr ordnungsgemäß erfolgen
und das Fahrzeug gerade beim Übergang
vom Schieberbetrieb in den Normalbetrieb starken Druckschwankungen
unterliegen, die als unliebsamer Ruck durch das gesamte Fahrzeug gehen
würden.
-
Der
erfindungsgemäß ausgebildete
Spülschieber 40 beseitigt
dieses Problem, indem er bei den auftretenden geringen Druckunterschieden
zwischen Hochdruck- und Niederdruckseite in der schon beschriebenen
Zwischenstellung arbeitet, in der er auf Druckschwankungen schnell
anspricht und leicht aus der Öffnungs-
in die Schließstellung
und umgekehrt überführt werden
kann. Da die Schließstellung schwimmend
ist, weil die zentrierende Druckfedern nicht an ihren Anschlägen anliegen,
ist eine sehr viel geringere Kraft als beim Stand der Technik erforderlich,
um den Spülschieber
aus seiner Neutralstellung herauszubewegen. In diesem auf sehr kleinem
Niveau der Verstellkräfte
liegenden Bewegungsspielraum werden zwar nur kleine Ausspülmengen
freigegeben, die aber dennoch ausreichen, den Hydromotor und den
geschlossenen Kreislauf ausreichend zu spülen und zu kühlen. Dabei
treten die beschriebenen negativen Erscheinungen beim Übergang
vom Schiebebetrieb auf den Normalbetrieb nicht mehr auf, und auch
die kritischen Maximaltemperaturen der Hydraulikflüssigkeit
werden nicht erreicht.
-
Der
erfindungsgemäße Spülschieber
arbeitet somit in zwei Stufen, von denen jede optimal auf einen
bestimmten Betriebsbereich des Fahrzeugs abgestimmt ist.
-
Die
beschriebene Wirkung wird weiter durch die Verbindungsleitung 41 unterstützt. Sie
sorgt dafür,
dass in der neutralen Mittelstellung des Spülschiebers 40 ein
ständiger Ölfluss über das
Spüldruck-Begrenzungsventil 39 durch
das Gehäuse
des Hydromotors 32 erfolgt und diesen somit kühlt. Entscheidend
bei dieser Überlegung
ist, dass im Normalbetrieb, also dann, wenn der Schieberkolben 6 des Spülschiebers 40 in
seine ausgeschobene Endstellung III geführt worden ist, aufgrund der
Druckverhältnisse
im Hochdruckkreis des geschlossenen Kreislaufes keine Hydraulikflüssigkeit über die
Verbindungsleitung 41 fließt und somit keine Verluste
an Speiseöl
auftreten. In diesem Fall ist im Normalbetrieb sowie auch im Schiebebetrieb
keine Zusatzspülung
erforderlich. Nur dann, wenn aufgrund der oben beschriebenen Druckverhältnisse
der Spülschieber 40 sich
in seiner neutralen Mittelstellung befindet, wird quasi als Stand-By-Funktion
Hydraulikflüssigkeit über diese
externe Leitung in das Gehäuse
des Hydromotors 32 geschoben.
-
- 1
- Gehäuse
- 2a,b
- Federgehäuse
- 3a,b
- Verschlussschraube
- 4a,b
- Druckfeder
- 5a,b
- Druckstößel
- 6
- Schieberkolben
- 7
- schaftförmiges Mittelteil
- 8a,b
- erster
Steuerkolben
- 9a,b
- Durchgangsbund
- l0a,b
- Trennsteg
- 11a,b
- zweiter
Steuerkolben
- 12a,b
- Druckstift
- 13
- Gehäusebohrung
- 14a,b
- Bohrungsabschnitt
- 15a,b
- Druckkammer
- 16a,b
- Stößelbohrung
- 17a,b
- Federbohrung
- 18a,b
- Anschlag
(Ringschulter)
- 19a,b
- Federteller
- 20a,b
- Stößelstift
- 21
- Zuleitungsbohrung
(Hochdruck)
- 22
- Zuleitungsbohrung
(Niederdruck)
- 23
- Auslass-Bohrung
- 24a,b
- Ausdehnungsweg
- 31
- Verstellpumpe
- 32
- Hydromotor
- 33
- Servoventil
- 34
- Hochdruckregeleinrichtung
und Hochdruckkreis-Einspeisung
- 35
- Füllpumpe
- 36a,b
- Hochdruckleitungen
- 37
- Leckölleitungen
- 38
- Fülldruck-Begrenzungsventil
- 39
- Spüldruck-Begrenzungsventil
- 40
- Spülschieber
- 41
- Verbindungsleitung
- 42a,b
- Pfeil
- 43a,b
- Verbindung
der Druckkammern
- I
- neutrale
Mittelstellung
- II
- Zwischenstellung
- III
- ausgeschobene
Endstellung