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Abdichtung des durch ein Lager aufrechterhaltenen Spaltes zwischen
zwei zueinander mit hoher Geschwindigkeit bewegten Schieberflächen Schieberflächen,
auf die sich die Erfindung bezieht, können ebene oder gewölbte Form aufweisen und
werden häufig, jedoch nicht ausschließlich, zur Steuerung periodischer Vorgänge
bei hydraulischen Anlagen wie hydrostatischen Pumpen oder Motoren verwendet. Um
eine zufriedenstellende Arbeitsweise über einen langen Zeitraum zu erhalten, ist
bei derartigen Schiebern üblicherweise zwischen den mit Steueröffnungen versehenen
Flächen ein schmaler Spalt vorgesehen, der durch ein Kugel- oder Rollenlager aufrecht
erhalten wird und beispielsweise eine Breite zwischen 13 und 75 [ aufweist, abhängig
von der Größe der Schieberfläche, der Viskosität des Mediums und der Relativgeschwindigkeit
zwischen den beiden Flächen. Wenn das Medium eine Flüssigkeit ist und der Schieber
für periodische Vorgänge hoher Frequenz verwendet wird, so wird der Spalt zwischen
den Flächen normalerweise wegen der hohen Temperaturen, die in der Flüssigkeit auf
Grund des durch die Viskosität bedingten Widerstandes entstehen, nicht unter 13
w verringert. Eine Verringerung der Spaltbreite unter diesen Wert erhöht die Wärmeerzeugung
derart, daß die Flüssigkeit verdampft und direkten Reibkontakt zwischen den beiden
Flächen zuläßt, was ein Festfressen zur Folge hat, d. h. örtliche Haftungen zwischen
den beiden Flächen, die diese bei weiterer Relativbewegung der Flächen sehr schnell
zerstören. Für Schieber in hydraulischen Kreisläufen muß die Spaltbreite zur Gewährleistung
eines sicheren Betriebes normalerweise größer als 13 #x sein, was beträchtliche
Leckverluste zur Folge hat.
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Das Hauptziel der Erfindung ist es, eine Abdichtung für den Spalt
zu schaffen, so daß die Leckverluste gering werden, ohne daß die Gefahr eines Festfressens
der Flächen bei hohen Relativgeschwindigkeiten besteht und die eine lange Lebensdauer
besitzt. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, den Reibwiderstand gering zu halten
und extrem geringe Toleranzen bei der Bearbeitung der Flächen zu erübrigen.
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Erfindungsgemäß wird auf mindestens eine der relativ zueinander bewegbaren,
mit Steueröffnungen versehene Flächen, die durch Lager, z. B. Kugel- oder Rollenlager,
in einem geringen Abstand voneinander gehalten werden, ein Belag aus einem festen,
nichtmetallischen Material mit Gleiteigenschaften aufgebracht. Unter dem Ausdruck
»Material mit Gleiteigenschaften« ist in diesem Zusammenhang ein Material zu verstehen,
welches einen geringen Reibungskoeffizienten beim Gleiten auf einem anderen Material
aufweist. Der Belag besteht vorzugsweise aus einem Harz mit Gleiteigenschaften,
wobei die Gleiteigenschaften auch durch Zusatz von Gleitmitteln wie Graphit oder
Molybdänsulfit erzielt werden können. Folgende Materialien oder Kombinationen damit
haben sich als besonders geeignet erwiesen: Vinylharze, synthetischer oder chlorierter
Kautschuk, Harnstoff- oder Melaminharze, Epoxyharze, Sifikonharze, Phenolharze oder
Polytetrafluoräthylen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand der Zeichnung bei
verschiedenen Arten von hydraulischen Pumpen beschrieben. Es zeigt Fig.l einen Längsschnitt
durch die Hauptteile einer Axialkolbenpumpe, Fig. 2 einen Querschnitt gemäß Linie
II-II in Fig. 1, Fig. 3 einen Querschnitt ähnlich Fig. 2 durch eine Pumpe, bei der
hydrostatische Lager verwendet werden, und Fig. 4 und 5 im rechten Winkel zueinanderstehende
Querschnitte durch eine Radialkolbenpumpe.
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Es sei zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen: In dieser Figur ist mit
1 ein Zylinderblock bezeichnet, der an einem Schieberkörper 2 anläuft. Im Zylinderblock
1 ist eine Mehrzahl von Zylindern 3 gleichmäßig um die Drehachse verteilt angeordnet,
deren Achsen im wesentlichen parallel zur Drehachse liegen. Jeder Zylinder 3 enthält
einen Kolben 4, an dem
eine Schubstange 5 mittels eines Kugelgelenkes
6 befestigt ist. Die Schubstangen 5 erstrecken sich zu einer rotierenden Druckscheibe
7, die mit dem Zylinderblock 1 umläuft und mit diesem durch ein Universalgelenk
8 verbunden ist, wodurch der Zylinderblock und die Druckscheibe um verschiedene
Achsen umlaufen können, die sich im wesentlichen im Mittelpunkt des Universalgelenks
8 schneiden. Die Schubstangen 5 sind an der Druckscheibe 7 mittels Kugelgelenken
9 befestigt, die in Druckschalen 11 aus Lagerwerkstoff angeordnet sind, welche in
Aussparungen in der Druckscheibe 7 eingesetzt sind. Eine nicht gezeigte Antriebswelle
ist mit der Druckscheibe 7 verbunden. Der Schieberkörper 2, der den Zylinderblock
l trägt, wird von einem Joch getragen, das um eine Scharnierachse geschwenkt
werden kann, die quer durch den Schnittpunkt der Drehachse des Zylinderblocks 1
und der Druckscheibe 7 geht. Die Scharnierachse bildet gleichzeitig auch einen Durchmesser
des Kreises; auf welchem die Mitten der Kugelgelenke 9 in der Druckscheibe 7 liegen.
Durch Verschwenkung des Schieberkörpers 2 mit dem Zylinderblock 1 um die Scharnierachse
wird also der Winkel zwischen den Drehachsen des Zylinderblocks 1
und der
Druckscheibe 7 geändert.
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Das Ende des Zylinderblocks 1, das an dem Schieberkörper 2 anläuft,
ist mit einer Fläche 12 versehen, die als ebene, senkrecht zur Drehachse des Zylinderblocks
stehende Fläche genau bearbeitet ist. In der Fläche 12 ist eine Mehrzahl
von kreisförmigen Steueröffnungen 13 angeordnet, von denen jeweils eine einem
Zylinder 3 zugeordnet ist. Der Schieberkörper 2 hat eine entsprechende ebene Schieberfläche
14, die mit der Fläche 12 zusammenwirkt und in welcher zwei nierenförmige
Steueröffnungen 15 und 16 angeordnet sind, von welchen Kanäle 17 und
18 ausgehen. Diese Kanäle erstrecken sich durch das Joch und bilden Einlaß-
und Auslaßkanäle für die Pumpe. Die Drehrichtung der Pumpe und die Schrägstellung
der Drehachsen zueinander bestimmt die Richtung der Flüssigkeitsströmung in den
Kanälen. Den Umfang der Fläche 14 umgibt eine kreisförmige Aussparung 19, welche
eine ebene Lagerfläche 21 ergibt, die parallel zu der Schieberfläche
14 liegt, jedoch gegenüber dieser zurückgesetzt ist. In der Aussparung
19 ist ein Rollenlager 22 angeordnet, welches einen Käfig 23 aufweist, der
am inneren Durchmesser der Aussparung 19 anliegt und eine Mehrzahl von radialen
Schlitzen 24 (Fig. 2) aufweist, in denen jeweils zwei Rollen 25 Ende
an Ende angeordnet sind. Die Rollen ; sind zylindrisch und liegen an den Flächen
12 und 21 an. Der Durchmesser der Rollen 25 ist so gewählt, daß sie im Betrieb zwischen
den Schieberflächen 12
und 14 einen Spalt von beispielsweise 13 bis
25 aufrechterhalten. Bei Vergrößerung der Pumpe oder ; der Antriebsdrehzahl kann
dieser Spalt geringfügig größer gewählt werden.
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Im normalen Betrieb der Pumpe werden die Druckscheibe 7 und der Zylinderblock
1 angetrieben, und die Kolben 4 bewegen sich in den Zylindern 3 hin und her.
Die Anordnung der Steueröffnungen 15 und 16 ist derart, daß die eine mit
den Steueröffnungen 13 der Zylinder; deren Kolben sich vorwärts bewegen, in Verbindung
steht, während die andere mit den Steueröffnungen 13 der Zylinder, deren Kolben
sich zurückbewegen, in Verbindung steht. Auf diese Weise kann der Kanal
18 den Einlaßkanal und der Kanal 17 den Auslaßkanal bilden oder umgekehrt,
je nachdem, welche Drehrichtung und welche Schrägstellung zwischen den Drehachsen
des Zylinderblocks 1. und der Druckscheibe 7 vorhanden ist.
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Druckflüssigkeit in der Pumpe an dem Auslaßsteuerfenster 15 oder 16
wirkt über den Bereich dieser Öffnung und über den Bereich der Öffnungen 13, die
von den Enden der Öffnung überlappt werden, um den Zylinderblock 1 von dem Schieberkörper
2 wegzudrücken. Dieser Spreizkraft wirkt normalerweise der von den mit dem Auslaßkanal
in Verbindung stehenden Kolben 4 ausgeübte Druck entgegen. Wenn die Öffnungen 13,
15 und 16 der Flüssigkeitsströmung einen vernachlässigbar kleinen Widerstand entgegensetzen
sollen, müssen sie so groß wie möglich gemacht werden und in diesem Fall kann die
Fläche der Auslaßöffnung 15 oder 1.6 zusammen mit der Fläche der überlappten Öffnungen
13 größer sein als die Fläche der zurückgehenden Kolben 4. Dies berücksichtigt die
Tatsache, daß die Kanäle, welche die Öffnung 13 mit den Zylindern 3 verbinden, nach
innen gerichtet sind, so daß der mittlere Durchmesser des Kreises, auf welchem die
Öffnungen 13 liegen, kleiner ist als der mittlere Durchmesser des Kreises, auf dem
die Zylinder 3 liegen. Wenn die Schieberfläche größer ist als die Fläche der zurückgehenden
Kolben, so muß eine Ausgleichsvorrichtung vorgesehen werden, um zu gewährleisten,
daß der Zylinderblock stets an dem Schieberkörper 2 anliegt. Diese Ausgleichsvorrichtung
besteht aus einem zentralen Bolzen 26, der sich von dem Schieberkörper 2 in eine
Zylinderbohrung 27 im Zylinderblock 1 erstreckt und einen Kolben 28 trägt, der einen
Ringraum 30 zwischen dem Bolzen 26 und der Zylinderbohrung 27 einschließt. Durch
eine Bohrung 29 im Bolzen 26 wird der Raum 30 mit unter hohem Druck stehender Flüssigkeit
versorgt. Diese Druckflüssigkeit kann durch eines der Rückschlagventile 31 oder
32 über den Raum 33 in die Bohrung 29 gelangen, je nachdem welcher der Kanäle
17,18
unter höherem Druck steht. Der Querschnitt des Ringraumes 30 ist in
Verbindung mit der Ouerschnittsfläche der Kolben 4 so gewählt, daß stets ein geringer
überschuß an hydraulischer Kraft vorhanden ist, der den Zylinderblock
1 am Schieberkörper 2
hält. Eine Feder 34 in dem Ringraum 30 übt eine
Anfangskraft auf den Zylinderblock 1 aus, um ihn am Schieberkörper 2 zu halten.
Dadurch, daß die Rollenlager 25 einen vorbestimmten Spalt zwischen den Schieberflächen
12 und 14 aufrechterhalten. ergibt sich. daß durch diesen Spalt etwas Druckflüssigkeit
von der unter Druck stehenden Steueröffnung 15 oder 16 entweichen kann. Um diese
Leckverluste zu verringern, ist erfindungsgemäß mindestens eine der Scheibenflächen
12, 14 mit einem Belag aus einem nichtmetallischen Material mit Gleiteigenschaften
bedeckt. Vorzugsweise weist nur die Fläche 14 einen derartigen Belag auf, wobei
dessen Dicke so bemessen ist, daß sie in etwa der normalen Spaltbreite zwischen
den Schieberfläch@en entspricht. Wenn der Belag aufgebracht und die Pumpe in Betrieb
gesetzt ist, wird der auf den Zylinderblock I ausgeübte Druck auf die Rollenlager
25 übertragen. so daß der Belag sehr geringem mechanischem Verschleiß ausgesetzt
ist und in seiner Lage verbleibt, wobei er den schmalen Spalt zwischen den Flächen
abdichtet und die Leckverluste an den Schieberflächen beträchtlich verringert.
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Es gibt eine Anzahl von möglichen Gründen, warum diese Anordnung mit
fast keinem Spalt erfolgreich
unter Bedingungen arbeitet, bei denen
die normalen metallischen Schieberflächen festfressen würden. Der einleuchtende
Grund ist der, daß keine Flüssigkeit in dem sehr engen Spalt verbleiben kann, da
sie schnell verdampft wird, und daß jede örtliche Wärmedehnung der Flächen, welche
eine direkte Berührung der Fläche verursacht, wegen der Gleiteigenschaften des Belages
kein Festfressen zur Folge hat.
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Es gibt eine große Anzahl von geeigneten Werkstoffen, die mit Erfolg
zum Belegen der Schieberflächen verwendet werden können, und zwar insbesondere Kunstharze
mit Gleiteigenschaften aufweisenden Zusätzen. Ein derartiges Harz kann z. B. warmhärtbares
Phenolformaldehydharz enthalten. Solche Harze werden einfach als Lösung auf die
Schieberfläche aufgestrichen oder aufgespritzt, worauf das Schieberteil erwärmt
wird, um das Harz auszuhärten. .Es können verschiedene Zusätze zu dem Harz erfolgen,
wodurch es leichter aufzubringen ist oder eine festere Verbindung mit der Schieberfläche
eingeht. Gleitzusätze können Graphit oder Molybdändisulfid enthalten. Die mit dem
Belag zu versehende Schieberfläche braucht nicht so fein bearbeitet zu werden, wie
dies ohne Belag notwendig wäre, denn das Fehlen der sonst erforderlichen Oberflächengüte
trägt dazu bei, daß der Belag an der Oberfläche fest haftet. Die zu belegende Schieberfläche
kann vorher mit einem Phosphat behandelt werden, damit sich an der Fläche kristalline
Eisenphosphate bilden. Auf einer derart behandelten Fläche haftet der Belag besser
als auf einer verhältnismäßig glatten Fläche.
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Es sei nun auf Fig. 3 Bezug genommen, welche die Schieberfläche
14 eines Schieberkörpers 2 zeigt, wobei hydrostatische Lager an Stelle der
in Fig. 1 und 2 gezeigten Rollenlager verwendet werden. In diesem Fall ist die Schieberfläche
14 beträchtlich größer als in Fig. 1 und 2, obgleich die nierenförmigen öffnungen
15 und' 16 gleich groß sind. In der Schieberfläche 14, welche
die Öffnungen 15 und 16 umgibt, ist eine Mehrzahl von Nuten 35 vorgesehen, von denen
jede durch eine verhältnismäßig kleine Nut 36 mit der benachbarten Steueröffnung
15 oder 16 verbunden ist. Im Betrieb gelangt von der unter Druck stehenden Öffnung
15 oder 16 Druckflüssigkeit durch die kleinen Nuten 36 in die großen
Nuten 35. Die Nuten 35 haben solche Fläche, daß sie imstande wären, den Zylinderblock
1 von dem Schieberkörper 2 abzuheben, wenn sie mit dem vollen hydraulischen
Druck von der Öffnung 15 oder 16 versorgt würden. Auf Grund der Tatsache
jedoch, daß die Flüssigkeit den Nuten 35 durch die kleinen Nuten 36 zugeführt wird,
ergibt sich, daß, wenn sich der Block 1 um mehr als ein bestimmtes Maß von dem Schieberkörper
2 abhebt, die Leckflüssigkeit von den Nuten 35, die notwendigerweise durch die Nuten
36 strömen muß, im Druck reduziert wird, so daß bei einer bestimmten Leckmenge ein
Gleichgewichtszustand erreicht wird, bei welchem der Druck in den Nuten 35 zusammen
mit dem Druck in der Öffnung 15 oder 16 eine Gesamtspreizkraft erzeugt, die gleich
der von den Kolben 4 und dem Ringraum 30 ausgeübten hydraulischen
Kraft ist. Durch entsprechende Wahl der Abmessungen aller Nuten wird ein hydrostatisches
Gleichgewicht des Blockes 1 am Ventilkörper 2 für einen sehr kleinen
Spalt zwischen den Schieberflächen erreicht. Der Belag der Fläche 14 ist
auf einen kreisförmigen Abschnitt beschränkt, der die Öffnungen 15 und
16 umschließt, nicht jedoch die Nuten 35. Im Bereich der Öffnungen
15 und 16 ist der Spalt also durch den Belag verringert. In dieser
Weise wird der Leckverlust im wesentlichen auf das Maß reduziert, welches für die
Wirksamkeit des hydrostatischen Lagers notwendig ist.
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Die Erfindung ist auch dann anwendbar, wenn hydrodynamische Lager
verwendet werden, bei welchen Gleitschuhe od. dgl., die von dem Block getragen werden,
an einer Fläche des Schieberkörpers anliegen und wobei auf Grund der Drehgeschwindigkeit
und der Form der Gleitschuhe Flüssigkeit unter die Gleitschuhe gebracht wird, um
den Zylinderblock mit dem vorbestimmten Abstand auf dem Ventilkörper laufen lassen
zu können.
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Während in den beschriebenen Beispielen der Belag auf der Fläche
14 des Schieberkörpers aufgebracht war, liegt es auch im Rahmen der Erfindung,
den Belag auf die Fläche 12 des Zylinderblocks aufzubringen. Obgleich die
Erfindung im Zusammenhang reit einem Schieber bei einer bestimmten Art einer hydraulischen
Pumpe beschrieben wurde, ist es einleuchtend, daß die Erfindung nicht hierauf beschränkt
ist, sondern überall dort angewendet werden kann, wo mit Steueröffnungen versehene
Schieberflächen, gleichgültig ob sie eben oder gekrümmt sind, relativ zueinander
bewegt werden und zwischen sich einen durch Lager bestimmten Spalt aufweisen.
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Ein Beispiel eines Schiebers mit gekrümmten Flächen ist in Fig. 4
und 5 gezeigt. Diese Figuren zeigen zwei in rechtem Winkel zueinander stehende Querschnitte
durch eine Radialkolbenpumpe, welche einen rotierenden Zylinderblock 41 aufweist,
der in einem Gehäuse 42 gelagert ist. Der Block 41 enthält eine Mehrzahl
von radialen Zylindern 43, in denen Kolben 44 angeordnet sind. Der Zylinderblock
dreht sich mittels Lager 47, 48 auf einem Zapfen 45, der als Schieber
ausgebildet ist, und weist eine zylindrische Bohrung 46 auf, die ziemlich
genau mit der zylindrischen Schieberfläche des Zapfens 45 übereinstimmt.
Die Kolben 44 sind an ihrem äußeren Ende mit einem Kolbenbolzen
49 versehen, der einen Gleitschuh 51 trägt. Die Gleitschuhe
51 liegen an einem Laufring 52 an, der starr am Umfang des Gehäuses
42 angeordnet ist. Der Zapfen 45 ist bezüglich des Laufrings 52 exzentrisch
angeordnet, so daß bei Drehung des Zylinderblocks jeder Kolben mit seinem Gleitschuh
durch Zentrifugalkraft in Anlage am Laufring 52 gehalten wird, was zur Folge hat,
daß die Kolben in ihren Zylindern hin- und hergehen. In dem Zapfen 45 sind Einlaß-
und Auslaßkanäle 53 bzw. 54 vorgesehen, welche mit Steueröffnungen 55 und 56 in
Verbindung stehen, die am Umfang der Zapfenoberfläche angeordnet sind und von der
zylindrischen Wandung der Bohrung 46 überschliffen werden. Das Ende jedes
Zylinders 43 steht in Verbindung mit der Bohrung 46, wodurch Steueröffnungen
gebildet werden, die mit den Einlaß- und Auslaßsteueröffnungen 55 und 56 zusammenwirken.
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Erfindungsgemäß ist die zylindrische Oberfläche des Zapfens
45, welche mit der zylindrischen Bohrung 46
zusammenwirkt, mit einem
Belag 57 der vorhergenannten Art versehen. Wie vorher beschrieben, bezweckt dieser
Belag, den Spalt zwischen dem Zapfen und der Wandung der Bohrung auf einen sehr
kleinen Wert zu verringern, um die Leckverluste zu verringern und außerdem ein Festfressen
wegen des sehr kleinen Spaltes zu verhindern. Der Zylinderblock wird durch eine
Antriebswelle 58 über eine Kupplung
59 angetrieben. Die Flüssigkeit
wird in nicht dargestellter Weise in das Gehäuse eingeführt und wird durch den rotierenden
Zylinderblock auf Grund der Fliehkraft in einen Kanal 61 geschleudert, von
wo aus sie zum Einlaßkanal 53 gelangt.