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Umsteuereinrichtung für einen Druckmittel-Schubkolbenmotor Die Erfindung
betrifft eine Umsteuereinrichtung für einen Druckmittel-Schubkolbenmotor, bei dem
der Druck des gegen Hubende am Ende des Arbeitszylinders eingeschlossenen Druckmittels
zum Umsteuern des Steuerschiebers benützt wird.
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Es ist bekannt, vom Arbeitszylinder zum Steuerzylinder des Motors
führende Kanäle für das Zu- und Ableiten des Druckmittels vorzusehen. Ihre Mündungen
liegen einwärts der Enden des Steuerzylinders, werden wechselweise von Bunden des
Steuerschiebers überstrichen und entweder mit dem Zuflußkanal oder einem Rücklauf
verbunden. In Verbindung damit sind zum Umsteuern des Steuerschiebers besondere
Verbindungskanäle zwischen den Enden des Arbeitszylinders und besonderen Steuerräumen
nötig, welche auch Rückschlagventile enthalten. Diese Steuerräume müssen gegenüber
den Zu- und Rücklaufkanälen abgedichtet sein. Das bedeutet einen beträchtlichen
Aufwand an Bohrungen und Teilen. Außerdem lassen sich keine Vorkehrungen treffen,
welche das Anlaufen des Motors auch dann sicherstellen, wenn - beispielsweise nach
längerem Stillstand - der Arbeitskolben und der Steuerschieber auf derselben Seite
stehen.
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Diese Nachteile werden nach der Erfindung dadurch beseitigt, daß jeder
der beiden Druckmittelzuflußkanäle des Arbeitszylinders unbeeinflußt von der Stellung
des Steuerschiebers mit einem im Steuerzylinder liegenden, von einer Stirnfläche
des Steuerschiebers begrenzten Endraum verbunden ist, dessen Verbindung zur Zuflußleitung
vom Steuerschieber gesteuert wird, und jeder der beiden Abflußkanäle des Arbeitszylinders
kurz vor dem Hubende des Arbeitskolbens angeordnet ist.
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Die zwischen Steuer- und Arbeitszylinder verlaufenden Kanäle können
nun auch das Umstellen des Steuerschiebers übernehmen, so daß keine besonderen Leitungen,
Ventile und Druckräume für diesen Zweck nötig sind. Die Einrichtung wird dadurch
sehr einfach. Besondere Rückleitungen können weggelassen werden, wenn der Arbeitskolben
selbst überströmöffnungen ins Gehäuseinnere steuert, oder werden als besondere Leitungen
angeordnet, welche ein wenig innerhalb der Enden des Arbeitszylinders beginnen.
In die Enden des Steuerzylinders lassen sich zusätzlich auf einfache und besonders
zweckmäßige Weise Kolben einsetzen, welche den Anlauf des Motors bei allen Lagen
seiner Teile zuwege bringen können.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist in die Zuflußleitung ein
Speicherraum eingeschaltet, um eine größere Kraftspeicherung für das Abbremsen und
Wiederbeschleunigen des Arbeitskolbens zu erhalten. In der Zeichnung sind in den
Fig. 1 und 2 zwei Ausführungsbeispiele des Gegenstands der Erfindung im Längsschnitt
schematisch dargestellt.
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In dem Gehäuse 1 eines Antriebsmotors für ein Mähwerk ist eine Welle
2 gelagert, auf der innerhalb des Gehäuses ein Ritzelsektor 3 sitzt und außerhalb
des Gehäuses ein Schwinghebel 4, der an seinem freien Ende eine zum nicht dargestellten
Mähwerk führende Verbindungsstange 5 trägt. Der Ritzelsektor 3 greift mit seinen
Zähnen 8 in Zähne 9 eines Arbeitskolbens 10 ein, der in einem Arbeitszylinder
13 gleitend gelagert ist. Der Arbeitskolben 10 weist auf der den Zähnen
9 gegenüberliegenden Seite seiner beiden Endabschnitte je eine Ausnehmung
14 und 15
auf, die zusammen mit dem jeweiligen der Ausnehmung zugeordneten
Wandabschnitt des Arbeitszylinders 13 einen Drosselspalt bildet, der im Querschnitt
die Form eines Kreisabschnitts hat.
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Parallel zur Achse des Arbeitszylinders 13 befindet sich im Gehäuse
1 ein Steuerzylinder 17, der in seinem Mittelabschnitt einen kleineren lichten Durchmesser
hat als in seinen beiden Endräumen 18 und 19. Im Mittelabschnitt des Steuerzylinders
17 ist ein Steuerschieber 21 bis 23 in dessen Achsrichtung gleitend gelagert, dessen
walzenförmige Steuerabschnitte 21
und 22 durch eine Stange 23 miteinander
verbunden sind. In den Endräumen 18 und 19 des Steuerzylinders 17 ist je ein Anschlagkolben
24 und 25 untergebracht, der auf seiner dem Steuerschieber 21 bis 23 zugewandten
Stirnseite einen als Anschlag dienenden Zapfen 27 hat.
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Von der Mitte der dem Steuerschieber 21 bis 23 abgewandten Stirnseite
jedes Anschlagkolbens 24 und 25 geht jeweils eine Längsbohrung 28 aus, die
im Mittelabschnitt des Kolbens in eine Querbohrung 29
mündet, deren
Mündungsöffnungen durch eine Ringnut 30 verbunden sind. In einem erweiterten Abschnitt
der Längsbohrung 28 ist ein Rückschlagventil mit einer Feder 32 . untergebracht,
die bestrebt ist, eine Kugel 33 in einer vom Zapfen 27 abgewandten Richtung zu drücken
und die Längsbohrung 28 zu verschließen. Die auf den gleichen Seiten wie
die Kugeln 33 liegenden Endabschnitte der Anschlagkolben 24 und-25-t@eisen jeweils
zwei diametral einander gegenüberliegende. Ausnelimungen auf, die zusammen mit den
diesen Ausnehmungen zugewandten Wandteilen der Endräume 18--und 19 des Steuerzylinders
17 einen- Ringspalt 34 -in Form eines Kreisabschnitts bilden. Die zwischen
den Ringspalten 34 und den Ringnuten 30 vorhandenen Erhebungen des Anschlagkolbens
24 -bilden- mit den ihnen zugewandten Abschnitten der Steuerzylinderwand jeweils
eine Drosselstelle35 für-den Durchtritt von Druckmittel in den _ Ringspalt 34a___
das von dort aus hinter die Stirnwand des Anschlagkolbens 24 dringt. An den am Übergang
vom Mittelabschnitt des Steuerzylinders 17 zu dessen Endräüinen 18 und 19 vorhandenen
Gehäuseabsätzen 36..stützt sich jeweils eine Feder 37 ab; die bestrebt ist;" die
Anschlagkolben 24 und 25 vom Steuerschieber Z1=bis 23 wegzudrücken.
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Ein parallel zu den Längsachsen des Arbeitszylinders 13 und des-Steuerzylinders
17 liegender Speicherraum 38 für das.;, zum .Motor fließende Druckmittel ist über
ein aus Kugel 39- und Feder 40 bestehendes Rückschläg@entil durch eine Zuflußleitung
42 mit einer Pumpe 43-verbunden, die einen- mit einem Vorratsbehälter 44 verbundenenAnsaugstutzen45
hat.
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Zu jedem Ende des Arbeitszylinders 13 führt ein Druckmittelzuflußkanäl50
und -51, der aus einem dem Gehäuseabsatz 36 benachbarten Teil eines Endraumes 18
bzw. 19! des Steuerzylinders 17 kommt. Jeder Endraum 18 und. 19 hat durch eine Stirnseite
des Mittelabschnitts. ;des Steuerzylinders 17 und Bohrungen an den Enden des Mittelabschnitts
Verbindung mit dem Speicherraum 38. Etwas entfernt von jedem Ende des Arbeitszylinders
13 geht je ein Abflüßkanal52 und 53- aus; der in den Steuerzylinder 17 in einem
bestimmten Abstand vom jeweiligen Gehäuseabsatz 36 mündet. Dieser Abstand ist wesentlich
größer als der Abstand der Mündungen der zum Speicherraum 38 führenden Zuflußkanäle
50 und 51 vom Gehäuseabsatz-316. Ein vom Mittelabschnitt des Steuerzylinders 17
at-sgehender, in Fig. 1 gestrichelt dargestellter Abflußkänal 54 stellt über eine.
Abflußleitung 55 eine -Verbindung zu dem Vorratsbehälter 44 her. Je ein Zuflutkana158
und 59 führt zu den Endräumen 18 und- -19 des Steuerzylinders 17; den Mündungen
in den-:Endräumen liegen die an den Anschlagkolben 24 und 25 befindlichen Ringnuten
30 gegenüber, solange die Anschlagkolben in Ruhestellung sind. _ Bei dem in Fig.
1 -dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist der sich -in' Pfeilrichtung, d.
h. von links nach rechts bewegeü'de Arbeitskolben 10 in seiner Mittenlage und der
Steuerschieber 21 bis 23 in seiner rechten Endlage; in- -der er den Züflußkanal51-durch
seinen rechten Steteräbschnitt 22 unterbricht und die Mündung des.-Abflüßkanals
52 in den Steuerzylinder 17 durch seinen linken Steueräb'schnitt 21. abdeckt. @.=
Das durch die Pifizipe43.geförderte Druckmittel strömt über die Zuflfeitüng 42 und
'das Überströrirveritil 39 und- 40 - inden Speicherraum 38 und über' den offenen
Zuflußkanal 50 in den linken Arbeitsraum des Arbeitszylinders 13. Der sich unter
dem Druck des Druckmittels in Richtung des angegebenen Pfeils nach rechts bewegende
und den Ritzelsektor 3 und den Schwinghebe14 drehende Arbeitskolben 10 schiebt das
im rechten Zylinderarbeitsraum befindliche Druckmittel vor sich her und über den
Abflußkanal 53, den Mittelabschnitt des Steuerzylinders 17, den Abflußkanal 54 und
die Abflußleitung 55 in den Vorratsbehälter 44 zurück. Das Druckmittel wird von
dort aus wieder durch die Pumpe 43 angesaugt. Gegen Ende seines Hubs in der angegebenen
Richtung überdeckt der Arbeitskolben die Mündung: des Abflußkanals 53 im Arbeitszylinder
13 und versperrt so den Abflußkana153. Infolge der abzubremsenden Bewegungsenergie
des Arbeitskolbens 10 und der damit gekuppelten Teile steigt der Druck im rechten
Arbeitsraum des Arbeitszylinders 13 an. Durch den zum Endraum 19 des Steuerzylinders
17 führenden Zufiußkanal51 wirkt der im rechten Arbeitsraum des Arbeitszylinders
13 herrschende Druck auf die Stirnseite des- Steuerschieberabschnitts 22 und drückt
den Steuerschieber 21 bis 23 entgegen dem auf die Stirnseite des Steuerschieberabschnitts
21 wirkenden Drück nach links, bis der Steuerschieber am Zapfen 27 des Anschlagkolbens
24 anliegt. Dadurch steht nun der rechte Arbeitsraum des Arbeitszylinders 13 über-
den Zuflußkanal51 in Verbindung mit dem Speicherraum 38 und der linke Arbeitsraum
über den Abflußkanal52 in Verbindung mit dem Vorratsbehälter 44: Je nach der Größe
der am Arbeitskolben 10 infolge der sich bewegenden Massen auftretenden Massenkräfte
kommt der Arbeitskolben 10 früher oder später nach dem Verschieben des Steuerschiebers
21 bis 23 zum Stillstand. Gewöhnlich drückt er noch auf die im rechten Arbeitsraum
des Arbeitszylinders.13 vorhandene Druckmittelmenge, deren Druck sich über den Zuflußkana151
bis zum Speicherraum 38 fortpflanzt, wodurch das Rückschlagventi139 und
40 geschlossen wird. Das Druckmittel im rechten Arbeitsraum und in dem durch
den Zuflußkanal 51 angeschlossenen Speicherraum 38 wirkt dann als federndes Mittel,
das die Bewegungsenergie des Arbeitskolbens zunächst speichert und bei der Bewegung
in Gegenrichtung wieder abgibt. Das Be-
wegungsspiel 'setzt sich dann sinngemäß
wie beschrieben fort.
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-Wegen des periodischen öffnens und Schließens des Rückschlagventils
39 und 40 lassen sich Druckschwankungen des Druckmittels in der Zuflußleitung 42
und in der Pumpe 43 nicht ganz vermeiden. Sie lassen sich aber stark verringern,
wenn die Leitung 42 aus einem elastisch nachgiebigen Schlauch besteht. _ Sitzen
Teile des Mähwerks während des Betriebs fest oder soll der Motor unter Last anlaufen,
so treten, wie nachfolgend näher beschrieben wird; die Anschlagkolben 24 und 25
für die Verschiebung des Steuerschiebers 21 bis 23 in Tätigkeit. Falls der Arbeitskolben
10 in der in Fig. 1 gezeichneten Mittellage festliegt und der Steuerschieber 21»
bis 23 ebenfalls die. gezeichnete rechte Lage einnimmt, so verschiebt das über die
Drosselstellen 35 in die Ringspalte 34 und zwischen die Stirnwand des Anschlagkolbens
25,-und der dieser zugewandten Stirnwand des Steuerzylinderendraums 19 eingedrungene
Druckmittel den-' Anschlagkolben 25 entgegen "der Wirkung der zugehörigen Feder
37 wie auch den Steuerschieber 21 bis 23 entgegen dem auf seine abgewandte
Stirnseite
wirkenden Pumpendruck nach links. Auf der Seite des Zapfens 27 des Anschlagkolbens
25 herrscht infolge der Verbindung des Endraums 19 des Steuerzylinders 17 über die
Kanäle 51, 53, 55 mit dem Vorratsbehälter 44 der dort vohandene Druck. Der Anschlagkolben
24 bleibt während dieser Zeit in Ruhestellung, da auf seine beiden Stimseiten der
Pumpendruck wirkt. Ist der Steuerschieber 21 bis 23 bis etwas über die Mitte gelangt,
so wechseln die Druckverhältnisse an seinen Stirnseiten, und er wird durch den auf
seiner rechten Stirnseite wirkenden Pumpendruck entgegen dem auf seine linke- Stirnseite
über die Kanäle 50, 52 und 54 wirkenden Vorratsbehälterdruck vollends nach links
verschoben. Der Steuerschieber liegt jetzt am Zapfen 27 des Anschlagkolbens 24 an.
Falls der Arbeitskolben 10 noch nicht angelaufen ist, setzt nun die Bewegung des
Anschlagkolbens 24 in gleicher Art ein, wie eben für den Anschlagkolben 25 beschrieben
wurde. -Die auf den Anschlagkolben 25 wirkende Feder 37 drückt das hinter den Anschlagkolben
25 gedrungene Druckmittel über das in der Längsbohrung 28 liegende Rückschlagventil32
und 33, die Querbohrung 29, die Ringnut 30 und den Zuflußkanal 59 in den Speicherraum
38 zurück, so daß der Anschlagkolben 25 in seine Ausgangslage zurückkehrt.
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Die Bewegungsfrequenz der beiden axial sich bewegenden Anschlagkolben
24 und 25 kann durch Wahl einer anderen Kolbenfläche und ariderer @Ab-# messungen
der Drosselstelle 35 verändert werden. Die ; Höhe dieser Frequenz sollte nicht größer
sein als die Höhe der Frequenz des Arbeitskolbens 1.0, da dessen Wirkungsweise sonst
gestört wird und der Arbeitskolben nicht mehr den vollen Hub macht.
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Wenn der Arbeitskolben 10 in einer seiner Endlagen steht, dienen die
Drosselspalte 14 und 15 zur Aufrechterhaltung der Verbindung zwischen den Kanälen
51 und 53 bzw. 50 und 52. Diese Drosselspalte müssen so bemessen werden, daß sie
den normalen Umsteuervorgang nicht stören, aber das von den entsprechenden Anschlagkolben
24 oder 25 verdrängte Öl auch ohne wesentliche Drosselung entweichen lassen.
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Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten Beispiel
nur durch eine andere Anordnung der vom Arbeitszylinder 13 zum Vorratsbehälter 44
führenden Kanäle. An Stelle der Abflußkanäle 52 bis 54 im ersten Ausführungsbeispiel
ist in dem hier mit 60 bezeichneten Gehäuse eine Auslaßbohrung 61 vorhanden, die
den zur Aufnahme des Ritzelsektors 3 dienenden Raum 62 über die Leitung 55 mit dem
Vorratsbehälter 44 verbindet. Das Spiel zwischen den beiden Endabschnitten des Arbeitskolbens
10 und den Zylinderwänden der beiden Arbeitsräume des Arbeitszylinders 13 dient
jeweils als Rückflußkanal für das vom Arbeitskolben 10 vor sich her geschobene Druckmittel.
Die Überdeckung der Enden des Arbeitskolbens durch den Arbeitszylinder in Mittenlage
des Arbeitskolbens reicht jeweils bis zum Beginn der Verzahnung 9, damit sich nach
Überschreiten der Mittenlage durch den Arbeitskolben 10 die Größe der Drosselung
jeweils: ändert. Die bei der Bewegung des Arbeitskolbens 10 zurückgelegte Wegstrecke
ist etwas kleiner als die Summe der Überdeckungen des Arbeitskolbens durch den Arbeitszylinder
an seinen Endabschnitten.
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Bewegt sich der Arbeitskolben 10 von einer Endlage zur anderen, so
ist die Überdeckung zwischen dem Arbeitszylinder 13 und dem Arbeitskolben 10 und
damit die Drosselung für den Durchtritt von Druckmittel auf , der mit der Pumpe
verbundenen Seite des Arbeitszylinders größer als auf der Gegenseite, so daß das
vom Kolben vor sich her geschobene Druckmittel austreten kann. Während der Bewegung
zur Mitte bleibt der Drosselwiderstand auf der mit der Pumpe vorhandenen Seite des
Kolbens 10 gleich, vergrößert sich aber auf der anderen Seite, bis die Mittenlage
erreicht ist. Dann wird die Überdeckung auf der mit der Pumpe verbundenen Seite
kleiner und die auf der anderen Seite bleibt während des restlichen Bewegungsabschnitts
gleich. Dies hat zur Folge, daß der Druck auf der mit der Pumpe verbundenen Seite
.sich nach überschieben .der Mittenlage des Arbeitskolbens geringfügig abbaut, während
sich auf der Gegenseite ein Druck aufbaut, der bei Überschreiten des Druckes, wie
er auf der Pumpenseite herrscht, eine Verschiebung- des Steuerschiebers 21 bis 23
durch das Druckmittel bewirkt; wobei sich die Druckverhältnisse wie oben beschrieben
umkehren. Da der Steuerschieber nur einen geringen überdruck zu seiner Verschiebung
benötigt, fließt nur wenig Druckmittel von der Pumpenseite in den Raum 62 ab. Die
nach dem Umsteuern, d. h. nach dem Verschieben des Steuerschiebers .noch kurzfristig
beibehaltene Bewegung des Arbeitskolbens in seiner ursprünglichen Richtung wird
dann durch das im Arbeitszylinder und im Speicherraum vorhandene Druckmittelpolster
abgefangen; der Arbeitskolben wird dann durch die Kompressibilität des Druckmittels
in Gegenrichtung entgegen der angegebenen Pfeilrichtung beschleunigt. Bei der Bewegung
des Arbeitskolbens in Gegenrichtung spielt sich der entsprechende Vorgang ab.