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Hydraulischer Antrieb mit einer Einrichtung zum Dämpfen von Schwingungen
Die Erfindung bezieht sich auf einen hydraulischen Antrieb, insbesondere für Werkzeugmaschinen,
reit einer Pumpe zum Speisen eines hydraulischen Motors und einer Einrichtung zum
Dämpfen der Schwingungen in der zwischen Pumpe und Flüssigkeitsmotor eingeschlossenen
Hochdruckflüssigkeitssäule.
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Es ist bekannt, daß in den Hydrauliksystemen hydraulischer Antriebe
Schwingungen in mannigfacher Weise ausgelöst werden können. Derartige Schwingungen
in der Hydraulikflüssigkeit sind in vielen Anwendungsfällen äußerst unerwünscht.
So können Druckstöße und Schwingungen in den Rohrleitungen beispielsweise bei plötzlicher
Verzögerung der strömenden COlsäule oder durch Verzögerung von Pumpe und Motor sowie
durch die periodische Umschaltung der Zylinderräume bei hydrostatischen Antrieben
der Radialkolbenbauart entstehen.
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Es sind auch bereits zahlreiche Maßnahmen bekanntgeworden, um die
Entstehung von Schwingungen zu vermeiden bzw. vorhandene Schwingungen zu dämpfen.
So ist es bekannt, daß mit Hilfe von Druckbegrenzerventilen wenigstens die besonders
starken Druckspitzen bei Druckstößen aufgefangen werden können. Weiter ist es bei
hydrostatischen Antrieben bekannt, zur Geräuschminderung auf der Saugseite des Antriebs
eine Quelle von konstantem Druck, z. B. eine Zahnradpumpe mit einem Akkumulatorspeicher
vorzuschalten. Der Zweck dieser Maßnahme ist es, die Zylinderräume jeweils kurz
vor Beendigung des Saughubes mit Hilfe der unabhängigen Druckquelle einer Vorkompression
auszusetzen, um ein Zurückschlagen des Druckes bei Eintritt des Zylinderraumes in
den Hochdruckteil des Antriebes zu verhindern. Damit lassen sich aber nur die direkt
in dem hydrostatischen Antrieb entstehenden Schwingungen beeinflussen. In der Hochdrucksäule
des hydraulischen Systems auf andere Weise ausgelöste Schwingungen werden dadurch
nicht berührt.
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Bei einer anderen, dem gleichen Zweck der Geräuschdämpfung an hydrostatischen
Antrieben dienenden Vorrichtung können druckgesteuerte Ventile zwischen Zylinderraum
und Hilfsquelle vorgesehen sein. Eine Verbindung zwischen Hilfskreis und Hoch- oder
Niederdruckseite des Antriebes tritt in keinem Falle auf. Es kann bei dieser bekannten
Anordnung jedoch an Stelle der Hilfsquelle die Hochdruck- oder Niederdruckseite
des Antriebes selbst zur Erzeugung einer Vorkompression oder Vorentlastung herangezogen
werden. Hierbei muß jedoch in Kauf genommen werden, daß im eigentlichen Hauptölkreis
eingedämpfte Schwingungen entstehen. Es ist weiter bekannt, daß Schwingungen in
der zwischen Pumpe und Arbeitsmotor eingeschlossenen Hochdruckölsäule in besonderem
Maße in den Fällen auftreten, bei denen sich die COlkompressibilität bereits bemerkbar
macht. Um diese Schwingungen wenigstens teilweise zu dämpfen, hat man schon durch
eine entsprechende Umgehungsleitung für einen bestimmten Leckölfluß an der eingespannten
Druckölsäule zum Ölsumpf hin gesorgt. Dadurch wird zwar eine gewisse Dämpfung erreicht.
Die Maßnahme hat jedoch den Nachteil, daß ein erheblicher und oft nicht ausreichend
kontrollierbarer Schlupf im Getriebe auftritt.
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Die dämpfenden Eigenschaften von Ausgleichsbehältern mit Siebeinsätzen
sowie von Akkumulatoren sind bekannt. Bei ihrer direkten Einschaltung in ein Hochdrucksystem
verlieren sie jedoch einen Teil ihrer Dämpfungswirkung. Außerdem erhöhen sie die
Trägheit des Systems.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine wirksame
Dämpfung der in der Hochdrucksäule eines Getriebes der eingangs bezeichneten Art
bereits entstandenen Schwingungen zu bewirken, ohne die Trägheit oder den Schlupf
des Getriebes merklich zu vergrößern.
Zu diesem Zweck ist erfindungsgemäß
vorgesehen, daß die Einrichtung zum Dämpfen der Schwingungen eine mit vorbestimmter
Frequenz periodisch arbeitende, an sich bekannte Ventileinrichtung aufweist, welche
die Hochdruckflüssigkeitssäule periodisch mit einem Federdrucksystem der Einrichtung
zum Dämpfen verbindet. Auf Grund dieser Anordnung werden die in der Hochdrucksäule
vorhandenen Schwingungen laufend zerhackt und dabei zur raschen Dämpfung in das
die Dämpfungseinrichtung enthaltende Niederdrucksystem eingeleitet. Es wird damit
eine außerordentlich wirksame Dämpfung erzielt, welche sich in besonders starkem
Maße bei sehr hohen Drücken auswirkt. Wenn man dafür sorgt, daß die Arbeitsfrequenz
der Ventileinrichtung groß genug ist und die in das Niederdrucksystem eingeleiteten
Schwingungen ausreichend rasch abklingen, kann ein störender Einfluß der Schwingungen
im Hochdrucksystem nahezu vollständig unterbunden werden.
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Zur raschen Beruhigung der Schwingungen im Niederdrucksystem ist es
vorteilhaft, wenn die Dämpfungseinrichtung eine Hilfspumpe von konstantem Druck
und einen vorzugsweise mit einer Dämpfungsvorrichtung versehenen Ausgleichsbehälter
aufweist, zwischen dem und der Hilfsquelle ein Rückschlagventil angeordnet ist.
Dabei kann die Anordnung so getroffen werden, daß die Ventileinrichtung das Niederdrucksystem
wechselweise mit der Hochdruck-$üssigkeitssäule und mit einer Abströmleitung verbindet.
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Wenn man von einem hydraulischen Antrieb, insbesondere einem Radial-
oder Axialkolbenantrieb ausgeht, bei dem die Zylinderräume der Pumpe über mit den
Zylindern bewegte Steuerschlitze wechselweise mit einer Druckkammer und einer Saugkammer
in Verbindung treten, die im Bereich der Ebene der Kolbenumkehr jeweils durch einen
Trennsteg von einer die Breite der Steuerschlitze in Bewegungsrichtung übersteigenden
Breite getrennt sind, und bei dem die Steuerschlitze jeweils wenigstens bei ihrem
Übergang von der Saug- zur Druckkammer kurzzeitig mit einer Pumpe von vorbestimmtem
konstantem Druck in Verbindung treten, erhält man eine besonders einfache Anordnung,
wenn ein Kanal des Niederdrucksystems der Dämpfungseinrichtung in Bewegungsrichtung
gesehen in einem solchen Abstand von der an die Druckkammer grenzenden Kante des
Trennsteges im Bereich der Trennstege mündet, daß die Steuerschlitze beim Eintritt
in die Druckkammer diese kurzzeitig mit diesem Kanal verbinden. Wenn sich nun Schwingungen
in der den hydraulischen Motor treibenden eingespannten Druckölsäule ausbilden,
so pflanzen sich diese in die Druckkammer fort bzw. können dort ihren Ursprung haben.
Beim Eintritt des Steuerschlitzes in die Druckkammer wird diese durch die Maßnahme
gemäß der Erfindung kurzzeitig mit der Flüssigkeit der Hilfspumpe verbunden. Das
eingeschlossene Öl in der Druckkammer kann damit kurzzeitig über die Öffnung in
die zwischen der Hilfspumpe und der Öffnung liegende Flüssigkeitssäule eintreten.
Der Austritt von Drucköl aus der Druckkammer wird jedoch sofort wieder abgesperrt
und erst durch den nächsten Steuerschlitz wieder hergestellt. Damit erfolgt also
eine Art Zerhacken der Verbindung zwischen der Druckkammer und der zwischen der
öffnung und der Hilfspumpe liegenden Flüssigkeitssäule mit einer Frequenz, die von
der Zahl der Schlitze und der Drehzahl des Motors abhängt. Dieses Zerhacken der
Verbindung hat bei schwingungserregtem Öl eine außerordentlich gute schwingungsdämpfende
Wirkung. Diese Wirkung ist wesentlich größer, als wenn ein kontinuierlicher Austritt
aus der eingeschlossenen Ölsäule über eine Leckstelle erfolgt. Weiterhin ist bei
dieser erfindungsgemäßen Anordnung kein zusätzlicher Schlupf vorhanden. Um die schwingungsdämpfende
Wirkung der Maßnahme gemäß der Erfindung voll zur Geltung zu bringen, soll das Volumen
der zwischen der Öffnung und der Hilfspumpe liegenden Flüssigkeitssäule ausreichend
groß gemacht und in der Flüssigkeitssäule noch -eine zusätzliche Dämpfungseinrichtung
angeordnet werden.
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Da über die Öffnungen und die Hilfspumpe auch bei dem zuletzt beschriebenen
Anwendungsfall der Erfindung in bekannter Weise eine Vorkompression der in den Zylindern
befindlichen Flüssigkeit erfolgt, könnte die mit der Erfindung angestrebte Wirkung
beeinträchtigt werden, wenn die Zylinderräume aus der Saugkammer mit nur ungenügender
Füllung austreten und durch die Hilfspumpe in erheblichem Maße nachgefüllt werden
müßten. Um eine gute Füllung zu erreichen, kann man dafür sorgen, daß die Saugkammer
möglichst nahe bis an die Ebene der Kolbenumkehr herangeführt ist. Die Praxis hat
jedoch gezeigt, daß eine mangelnde Füllung in der Saugzone häufig darauf beruht,
daß die Flüssigkeitsströmung von der Saugkammer durch die Schlitze in die Zylinderräume
abreißt bzw. daß sich Kavitation im Öl ausbildet. Um diese Ursache einer mangelnden
Füllung zu beseitigen, ist zweckmäßigerweise vorgesehen, daß die sich etwa quer
zur Bewegungsrichtung erstreckenden Begrenzungsflächen jedes Steuerschlitzes vom
zugehörigen Zylinderraum aus gesehen nach rückwärts geneigt verlaufen.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Hand schematischer Zeichnungen an
mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert: F i g.1 zeigt ein Ausführungsbeispiel
einer schwingungsarmen hydraulischen Antriebs gemäß der Erfindung; F i g. 2 zeigt
einen Querschnitt durch eine Radialkolbenpumpe, an der ein zweites Ausführungsbeispiel
der Erfindung erläutert wird; F i g. 3 zeigt, ebenfalls im Querschnitt, nur den
mittleren Teil der Pumpe gemäß F i g. 2; F i g. 4 zeigt den mittleren Teil im Axialschnitt
sowie die Zuordnung einer Flüssigkeitshilfsquelle zu diesem mittleren Teil.
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In F i g.1 wird die Erfindung an Hand eines hydraulischen Antriebs
für einen linear bewegten Arbeitskolben 50 beschrieben, der über ein Umsteuerventil
51 durch eine Hochdruckpumpe 52 beliebiger Bauart gespeist wird.
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Aus irgendeiner Stelle der zwischen der Hochdruckpumpe 52 und dem
Arbeitskolben 50 eingeschlossenen Hochdruckflüssigkeitssäule 53, beispielsweise
zwischen der Pumpe 52 und dem Umsteuerventil51, ist ein Drehschieberventil 54 angeordnet,
das einen Drehschieber 55 aufweist, der über eine nicht dargestellte Antriebsvorrichtung
mit vorbestimmter Drehzahl kontinuierlich angetrieben wird. Der Drehschieber wird
in seinem mittleren Bereich 55a von dem Hochdrucköl ständig durchströmt.
Beiderseits des mittleren Abschnitts weist er Ventilflächen 55b und
55c auf, die sowohl in axialer
Richtung als auch in Umfangsrichtung
gegeneinander versetzt sind. In das Schiebergehäuse münden Zweigleitungen 56, die
zu dem Niederdrucksystem der Ausgleichseinrichtung gehören. Diese weist eine Pumpe
23 von konstanter volumetrischer Leistung, z. B. eine Zahnradpumpe auf, die über
ein Rückschlagventil 38 in einen Ausgleichbehälter 22 fördert. Dieser besteht aus
zwei Behälterteilen, nämlich einem inneren gelochten Zylinder 31, der im Abstand
von einem zweiten geschlossenen Zylinder umgeben ist. Durch die Löcher 32 kann das
in den inneren Zylinder einströmende Drucköl in den äußeren Zylinder gelangen und
tritt von diesem in die Zweigleitungen 56.- An .die Zweigleitungen kann außerdem
noch ein Akkumulator 39 angeschlossen sein. Gegenüber den Mündungen der Zweigleitungen
56 in axialer Richtung nach außen versetzt gehen von dem Schiebergehäuse 54 zwei
Abflußleitungen 57 ab, die über ein geringfügig vorgespanntes Ventil 59 zum Sumpf
60 zurückführen.
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In der dargestellten Stellung der Vorrichtung steht der mittlere Bereich
55a des Drehschieberventils über die Leitungen 56 mit der Ölsäule im Niederdrucksystem
in Verbindung, so daß in dem Hochdrucksystem vorhandene Schwingungen auf das Niederdrucksystem
übertragen und dort gedämpft werden. Nach einer Drehung um beispielsweise etwa 170°
wird die Verbindung zwischen der Hochdrucksäule und der Niederdrucksäule unterbrochen.
Kurz danach wird die Niederdrucksäule mit den Abflußleitungen 57 verbunden, so daß
eine geringfügige Flüssigkeitsströmung in Richtung auf den Sumpf auftritt, der zur
raschen Beruhigung der Schwingungen in der Ausgleichseinrichtung beiträgt. Nach
einer vollen Umdrehung wird die Verbindung zu den Abflußleitungen wieder unterbrochen
und kurz danach die Hochdrucksäule mit -der Ausgleichseinrichtung wieder verbunden.
Das Rückschlagventil38 dient dazu, Leckverluste aus der Hochdrucksäule .in das Niederdrueksystem
während der einen Phase der Drehbewegung des Schiebers zu verhindern.
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Wenn an Hand des Ausführungsbeispiels nach F i g. 1 darauf hingewiesen
wurde, daß die Ventileinrichtung an beliebiger Stelle in der Hochdrucksäule vorgesehen
werden kann, so bedeutet dies auch, daß die Ventileinrichtung unmittelbar am Ende
der Hochdrucksäule, also direkt in der Pumpe vorgesehen sein kann. Diese Anordnung
ist besonders vorteilhaft bei Axial- oder Radialkolbenpumpen.
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Wenn nachfolgend die Erfindung an Hand einer Radialkolbenpumpe beschrieben
wird, so bedeutet das nicht, daß die Erfindung in ihrer Anwendung auf diese Art
von Pumpen beschränkt ist. Wie aus den oben angeführten allgemeinen Darlegungen
hervorgeht, läßt sich die Erfindung auch bei anderen hydraulischen Getrieben, beispielsweise
bei Axialkolbenpumpen, mit Erfolg verwirklichen.
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Die in F i g. 2 dargestellte Radialkolbenpumpe weist ein Gehäuse 1
auf, in das ein Steuerzapfen 2 unverdrehbar eingepaßt ist. In die Bohrung eines
Zylindergehäuses 3 ist eine Buchse 4 eingepreßt, in der Steuerschlitze 5 die zugehörigen
Zylinderkammein 6 mit den auf den beiden Seiten des Steuerzapfens 2 liegenden Druck-
bzw. Saugkammern D bzw. S verbinden.
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In dem Gehäuse 1 ist mit Hilfe des Drehzapfens 7 ein Stellring 8 verschwenkbar
angeordnet, der über einen Ansatz 9 durch eine nicht dargestellte Verstelleinrichtung
zur Einstellung der Pumpleistung bzw. Förderrichtung verschwenkt werden kann. In
dem Stellring 8 ist mit Hilfe eines Kugellagers 10 ein Laufring 11 drehbar gelagert,
dessen Lauffläche mit den Kolben 12 zusammenwirkt, um bei Rotation des Zylindergehäuses
3 entsprechend dem Pfeil 13 auf Grund der exzentrischen Anordnung von Zylindergehäuse
und Stellring 8 eine radiale Bewegung der Kolben zu erzeugen. Die Anordnung und
Arbeitsweise einer derartigen Pumpe ist bekannt, so daß auf eine weitere Beschreibung
verzichtet werden kann.
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In F i g. 3 ist in Form eines kreisförmigen Ausschnitts der zentrale
Teil der Pumpe gemäß F i g. 2 im vergrößerten Maßstab herausgezeichnet. Gleiche
Teile sind mit der gleichen Bezugsziffer versehen wie in F i g. 2.
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Aus F i g. 3 ist ersichtlich, daß die Druckkammer und die Saugkammer
im Bereich einer Ebene 14, die mit der Ebene der Kolbenumkehr zusammenfällt, durch
Stege 15 und 16 des Steuerzapfens 2 voneinander getrennt sind. Der Steuerzapfen
ist von der Druck- bzw. Saugkammer aus zu den beiden Stegen hin angeschnitten, um
die beiden Kammern möglichst nahe an die Ebene 14 heranzuführen. Dies ist wichtig,
um den vollen Hub der Kolben 12 für das Ansaugen bzw. Komprimieren des Öls ausnutzen
zu können. Es wird damit vor allem im Bereich der Saugkammer S erreicht, daß die
Zylinderräume 6 während des Ansaughubes der Kolben nahezu vollständig gefüllt werden.
Um den Füllungsgrad noch zu verbessern, sind die Steuerschlitze 5 so ausgebildet,
daß die quer zur Bewegungsrichtung verlaufenden Begrenzungsflächen 17 und 18 der
Steuerschlitze vom Kolben 12 aus gesehen nach rückwärts abgeschrägt verlaufen. Dadurch
wird ein stoßfreier Eintritt der Flüssigkeit aus dem Saugarm in die Steuerschlitze
auch dann gewährleistet, wenn sich die Steuerschlitze mit relativ hoher Geschwindigkeit
durch die Saugkammer bewegen.
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Der Steuerzapfen weist neben den Längskanälen 19, welche die Druckkammer
bzw. die Saugkammer mit den zu dem Arbeitskolben führenden Druckleitungen bzw. mit
den das Öl der Pumpe zuführenden Leitungen verbinden, noch einen weiteren Längskanal
20 auf, der, wie aus F i g. 4 ersichtlich, über eine Leitung 21 mit einem Ausgleichsbehälter
22 und über diesen mit einer Hilfspumpe 23 in Verbindung steht. Von dem Längskanal
20 gehen Querbohrungen 24 und 25 zu axial verlaufenden Einfräsungen
26, 27, die in der Lauffläche des Zapfens, und zwar in der Ebene 14 liegen. Die
Einfräsungen 26, 27 stehen einerseits mit Schmiertaschen 28, 29 in der Lauffläche
in Verbindung und ragen andererseits bis in den Bereich der Schlitze.
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In F i g. 4 ist ein Steuerschlitz 5 gestrichelt eingezeichnet, der
sich gerade in einer zu der Ebene 14 symmetrischen Lage befindet. Man erkennt, daß
die Breite B der Trennstege die Breite b der Steuerschlitze nur geringfügig,
z. B. um 0,5 mm auf beiden Seiten übersteigt. Beiderseits der gestrichelt dargestellten
Stellung des Steuerschlitzes 5 stellt dieser kurzzeitig jeweils eine Verbindung
zwischen der Druckkammer D bzw. der Saugkammer S und den Einfräsungen
26 und 27 her. Für die Zwecke der Erfindung ist vor allem die kurzzeitige Verbindung
zwischen der Druckkammer D und den Einfräsungen 26, 27 wichtig, die mit jedem über
die Stege 15,
16 laufenden Schlitz 5 kurzzeitig wiederhergestellt
wird.
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Für den angestrebten Zweck ist es weiter von Bedeutung, daß die zwischen
der Hilfspumpe und den Einfräsungen 26, 27 vorhandene Flüssigkeitssäule ein ausreichend
großes Volumen aufweist. Zu diesem Zweck ist beim dargestellten Beispiel der Ausgleichsbehälter
22 vorgesehen. Dieser ist mit einem zusätzlichen Schwingungsdämpfer in Form eines
Innenbehälters 31 versehen, der mit dem Außenbehälter 22 über kleine Bohrungen 32
in Verbindung steht. In den Innenbehälter mündet bei 33 die Druckleitung der Pumpe
23, die mit einem Druckregelventi130 einen konstanten Druck aufrechterhält. An Stelle
des Ausgleichsbehälters 22 könnte auch ein an sich bekannter Akkumulator 39 treten.
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Die Verbindung der Einfräsungen 26, 27 mit Schmiertaschen 28, 29 in
der Lauffläche des Steuerzapfens stellt nicht nur eine ausreichende Schmierung dieser
Flächen sicher, sondern bildet ein weiteres Hilfsmittel, um aus der eingeschlossenen,
mit der Druckkammer D in Verbindung stehenden Ölsäule über die Steuerschlitze 5
in die Hilfsölsäule eintretende Schwingungen zu dämpfen, da durch die Schmierkeile
jede Schwingung augenblicklich abklingt.
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Zwischen der Hilfspumpe 23 und dem Ausgleichsbehälter 22 kann
noch ein Rückschlagventil 38 angeordnet sein, wodurch der an sich sehr geringe Schlupf
bei der kurzzeitigen Verbindung zwischen Druckraum D und der Flüssigkeitshilfssäule
noch weiter herabgesetzt wird.
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Für die Merkmale der Ansprüche 2 bis 9 wird nur Schutz im Zusammenhang
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 beansprucht.