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Druckausgleichsnut in dem Trennsteg zwischen den beiden Steueröffnungen
des Steuerspiegels einer Axial- oder Radialkolbenpumpe Die Erfindung bezieht sich
auf eine keilförmige Druckausgleichsnut in dem Trennsteg zwischen den beiden nierenförmigen
Steueröffnungen des mit einem überdeckungsgrad größer als Eins versehenen Steuerspiegels
einer Axial- oder Radialkolbenpumpe, wobei die Nut mit der jeweils angesteuerten
Steueröffnung verbunden ist. Da jede Axial- oder Radialkolbenpumpe auch als Motor
betrieben werden kann, bezieht sich die Erfindung in gleicher Weise auf die Ausgestaltung
der Druckausgleichsnut im Trennsteg des Steuerspiegels eines AxialkoIbenmotors bzw.
Radialkolbenmotors.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den beim überschleifen des
Trennsteges des Steuerspiegels durch die umlaufende ZylindertronrmeI auftretenden
Umsteuervorgang durch eine besondere Ausgestaltung der Druekausgleichsnut zu verbessern.
Insbesondere ist es Zweck der Erfindung, die bisher bei diesem Umsteuervorgang auftretenden
Druckstöße weitgehend abzumildern.
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Es ist ein Steuerspiegel mit einem überdeckungsgrad wesentlich größer
als Eins bekannt, wobei an jedem Ende jeder nierenförmigen Steueröffnung eine lange,
keilförmige Druckausgleichsnut vorgesehen ist, wobei die Spitzen der zueinander
hinweisenden Druckausgleichsnuten immer noch einen Abstand voneinander haben, der
einem überdeckungsgrad größer als Eins entspricht. Die Basis der keilförnnigen Druckausgleichsnut
geht dabei in die volle Breite der Steueröffnung über. Diese Form ist gewählt worden,
ausgehend von der Vorstellung, daß es nur darauf ankomme, die Verbindung zwischen.
einem Zylinder und der jeweils angesteuerten Steueröffnung möglichst langsam zu
öffnen. Praktisch hat sich gezeigt, daß mit einer derartigen Ausgestaltung die unerwünschten
Druckstöße nicht beseitigt werden können, andererseits aber in diesen Keilnuten
hohe Energieverluste auftreten.
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Weiterhin ist eine Ausgestaltung des Trennsteges bekannt, bei der
an beiden Steueröffnungen je eine oder mehrere kurze, keilförmige Druckausgleichsnuten
vorgesehen sind, wobei die Spitzen der Druckausgleichsnuten gerade so liegen, daß
sie einem überdeckungsgrad gleich Eins entsprechen. Gegenüber der vorstehend beschriebenen
Löeung wird hierbei vermieden, daß bei vollkommen abgeschlossenem Zylinder der Kolben
in diesem einen- Weg zurücklegt, auf dem die Arbeitsflüssigkeit im Zylinder entweder
komprimiert oder als Leekverlust durch Dichtspalte abgequetscht werden muß bzw.
bei einer den Zylinder vergrößernden Saugbewegung entsprechende- Effekte auftreten.
Dafür ergibt sich bei den hier vorgesehenen kurzen Drosselnuten, daß der Raum im
Zylinder mit der jeweils angesteuerten Steueröffnung, in der jeweils ein anderer
Druck herrscht als im Zylinder, zu plötzlich verbunden wird, so daß durch das plötzliche
Freigeben der Verbindung der unerwünschte Druckstoß auftritt.
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Eine ähnliche Ausgestaltung ist auch bekannt in der Weise, daß auf
dem Trennsteg nur jeweils auf der Seite, auf der die korrespondierende Öffnung der
Zylindertrommel die Steueröffnung im Steuerspiegel verläßt, an dieser eine keilförmige
Nut bzw. eine Verlängerungsnut vorgesehen ist, die derart lang ist, daß die Verbindung
zwischen dem Zylinder und der Steueröffnung auch dann noch besteht, wenn der Kolben
schon etwas über den Totpunkt hinausgelangt ist. An der angesteuerten Kante jeder
Steueröffnung ist dabei keinerlei einen Druckstoß mindernde Vorrichtung vorgesehen.
Gerade diese Kante aber ist das wesentliche.
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Bei einem anderen bekannten Steuerspiegel ist vorgesehen, daß jeder
Zylinder mit zwei zum Steuerspiegel mündenden, nebeneinanderliegenden Bohrungen
versehen ist, jede Steueröffnung mondsichelförmig gestaltet ist und die Enden der
Steueröffnungen sich bis auf einen überdeckungsgrad wesentlich kleiner als Eins
nähern. Diese Enden sind nicht scharf spitz ausgestaltet. Um trotzdem ein verhältnismäßig
sanftes Ansteuern zu erzielen, verlaufen die Endteile der Steueröffnungen derart,
daß die Mündungen der mit den Zylindern in Verbindung stehenden Bohrungen in Umlaufrichtung
seitlich tangential mit, den Steueröffnungen in Berührung kommen. Trotzdem erfolgt
dieses Ansteuern viel zu plötzlich, so daß starke Druckstöße unvermeidlich sind.
Andererseits wird
durch den kleinen überdeckungsgrad hoher Energieverlust
auftreten.
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Ferner sind Druckausgleichsnuten bekannt, die einen Kompromiß zwischen
den eingangs geschilderten beiden Bauformen darstellen, wobei auch hier der überdeckungsgrad
zwischen den Steueröffnungen an sich wesentlich größer als Eins ist und auch der
Überdeckungsgrad zwischen den Spitzen der halblangen Drosselöffnungen immer noch
größer als Eins ist. Dadurch aber werden auf jeden Fäll Druckstöße und Energieverlust
erzwungen.
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Bei einer ähnlichen Ausgestaltung sind die von beiden Steueröffnungen
ausgehenden Drosselnuten so weit in den Trennsteg gezogen, daß der überdeckungsgrad
zwischen den Spitzen der Drosselnuten etwas kleiner als Eins wird: Sind diese Drosselnuten
groß genug, kann eine wesentliche Milderung der Druckstöße erzielt werden, jedoch
nur unter Inkaufnahme eines starken Kurzschlußstromes zwischen den beiden Steueröffnungen,
also unter Energieverlust. Sind die keilförmigen Druckausgleichsnuten so eng, daß
dieser Kurzschlußstrom zumindest weitgehend vermieden wird, wird keine hinreichende
Milderung der Druckstöße erzielt. Aus der Tatsache, daß als eine gleichwertige Lösung
vorgesehen ist, anstatt der keilförmigen Drosselnuten Bohrungen schräg derart anzuordnen,
daß jeweils ein Ende jeder Bohrung in eine Steueröffnung mündet, während die andere
Öffnung der Bohrung in dem Steuerspiegel im Trennsteg mündet, wobei diese beiden
Bohrungen derart nebeneinanderliegen, daß sie einen überdeckungsgrad wesentlich
kleiner als Eins ergeben, ist abzuleiten, daß eine Konstruktion vorgesehen ist,
mit der auf jeden Fall ein beachtlicher Kurzschlußstrom in Kauf genommen werden
muß.
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Schließlich sei noch eine Konstruktion erwähnt, bei der in jeden Trennsteg
eine Bohrung mündet, die mit der jeweils angesteuerten Steueröffnung in Verbindung
steht, wobei der Abstand zwischen dieser Bohrung und der nicht mit ihr in Verbindung
stehenden Steueröffnung einem überdeckungsgrad gleich bzw. unwesentlich größer als
Eins entspricht. Dabei ist in dieser Bohrung zwischen deren Mündung im Trennsteg
und der Steueröffnung ein Rückschlagventil angeordnet, und zwar derart, daß durch
dieses Rückschlagventil eine Strömung von der jeweils höheren Druck führenden Steueröffnung
zu der jeweils niedrigeren Druck führenden Steueröffnung vermieden wird. Auch durch
solche Einrichtungen werden Druckstöße nicht vermieden, sondern im Gegenteil durch
die Trägheit des Ventils verstärkt, ganz abgesehen davon, daß für Betriebsdrehzahlen,
wie sie heute üblich sind, derartige Rückschlagventile nicht mehr brauchbar sein
werden. Ferner ist zu beachten, daß es ein wesentlicher Vorteil hydrostatischer
Getriebe ist, daß bei Pumpen die Förderrichtung bzw. bei Motoren die Drehrichtung
vertauschbar ist. Dieser Vorteil ist bei der genannten bekannten Einrichtung nicht
auszunutzen.
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Die Nachteile der bisher bekannten Einrichtungen werden durch die
Druckausgleichsnut gemäß der Erfindung vermieden..
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Gemäß der Erfindung besteht die Druckausgleichsmit aus einem spitzen
Kopfteil mit geringer Querschnittszunahme und einem Fußteil mit größerem Querschnitt
und größerer Querschnittszunahme, wobei die Spitze des Kopfteils von der gerade
übersteuerten Steueröffnung einen Abstand hat, der kleiner ist als die Breite jeder
Zylindertrommelöffnung, und der Kopfteil an zumindest annähernd der Stelle in den
Fußteil übergeht, an der die vorauslaufende Kante der über dem Trennsteg liegenden
Zylindertrommelöffnung steht, wenn der Kolben in dem zugeordneten Zylinder in seinem
Totpunkt steht. Durch den Kopfteil der Drosselnut wird erzielt, daß schon frühzeitig
eine Verbindung zwischen dem Raum im Zylinder und der angesteuerten Steueröffnung
hergestellt wird, wobei diese Verbindung ausreicht, um eine im Verhältnis zu der
zur Verfügung stehenden Zeit langsame Druckanpassung zu ermöglichen. Der Querschnitt
des Kopfteiles ist jedoch nicht groß genug, um einen Kurzschlußstrom merklicher
Größe zuzulassen.
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Andererseits erreicht in dem Moment, in dem der. Kolben im Zylinder
mit der Verdrängungswirkung beginnt, die Zylinderöffnung den Fußteil der Druckausgleichsnut,
dessen Querschnitt ausreicht, um die hinter dem Totpunkt zunächst geringe Verdrängungsströmung
ohne wesentlichen Widerstand passieren zu lassen. Dadurch werden alle Vorteile der
bisher bekannten Einrichtungen und eine noch bessere Minderung der Druckstöße als
bei den bisher bekannten Einrichtungen erzielt, ohne einen der Nachteile der bekannten
Einrichtungen mit in Kauf nehmen zu müssen.
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Es sind Axialkolbeneinheiten bekannt, bei denen die Zylindertrommel
mit dem Triebflansch durch ein Gleichlaufgelenk verbunden ist. Bei diesen Pumpen
und bei anderen Ausgestaltungsformen, beispielsweise Schrägscheibenpumpen, nimmt
in jedem Zylinder der Kolben seine Totpunktstellung ein, wenn dieser Zylinder gegenüber
der Stellung, in der seine Achse die Verschwenkachse, um die die Zylindertrommel
gegenüber der Triebflanschachse verschwenkt wird, schneidet, um 90° .weitergedreht
ist. Eine solche eindeutige Zuordnung der Totpunktstellung zu der Stellung der Achsen
ist nicht mehr gegeben, wenn die Zylindertrommel nur durch die Pleuelstangen über
die Kolben zur Drehbewegung mitgenommen wird. Dann eilt die Zylindertrommel um einen
bestimmten Winkel gg der Drehung des Triebflansches nach, wobei dieser Winkel (p
abhängig ist von dem Verschwenkwinkel zwischen Zylindertrommelachse und Triebflanschachse.
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Eine Weiterausgestaltung der Erfindung bezieht sich auf derartige
Axial- oder Radialkolbeneinheiten, bei denen die mit dem antreibenden Teil verbundene
Zylindertrommel gegenüber diesem um einen vorzugsweise veränderlichen Winkel 99
nacheilt. Gemäß einem weiteren Schritt der Erfindung weist in diesem Falle die Druckausgleichsnut
folgende Merkmale auf: a) Die ausgeführte Kante jeder abgesteuertenSteueröffnung
ist gegenüber einer gedachten Kante, bei der der Trennsteg die Zylindertrommelöffnung
gerade dann voll abschließen würde, wenn der Kolben in dem der Öffnung zugeordneten
Zylinder in seinem Totpunkt stehen würde, um eine einem Winkel 0,5 bis 0,7 99 entsprechenden
Bogen entgegen der Laufrichtung der Zylindertrommel verlagert; b) die Versetzung
der ausgeführten Kante der angesteuerten Steueröffnung gegenüber einer gedachten
Kante, die die vorauslaufende Kante der über dem Trennsteg liegenden Zylindertrommelöffnung
berühren würde, wenn der Kolben in dem zugeordneten Zylinder in seinem Totpunkt
stehen
würde, entspricht einem Winkel 0,5 bis 0,8 cp.
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Durch die Kombination dieser Merkmale werden in. optimaler Weise diejenigen
Bedingungen mit berücksichtigt, die aus dem Nacheilen der Zylindertrommel gegenüber
dem umlaufenden und die Kolbenbewegung herbeiführenden Teil resultieren.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes
dargestellt.
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F i g. 1 zeigt haIbschematisch einen durch die Drehachse gehenden
Schnitt durch eine Axialkolbenpumpe, und F i g. 2 zeigt einen Blick auf den Steuerspiegel
derselben.
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In F i g. 1 ist die Zylindertrommel 1 zu erkennen, die sich in Richtung
des Pfeiles 3 um die Drehachse 2 dreht. Die Kolben 5 sind mittels Kolbenstangen
6 an im einzelnen nicht dargestellten Bauteilen, beispielsweise einem Triebflansch,
derart angelenkt, daß die Kugelköpfe 7 der Kolbenstangen 6 in der Führungsebene
4 umlaufen, wobei die Kolbenführungsebene 4 um einen Winkel y gegenüber der Zylindertrommeldrehachse
2 geneigt ist. Die Kolben 5 sind in Zylinderbohrungen 10 verschiebbar, wobei diese
Zylinderbohrungen 10 ohne Querschnittsänderung oder Richtungsänderung in die Stirnfläche
der Zylindertrommel 1 münden. Der Zylindertrommel 1 gegenüber liegt der Steuerspiegel
8, der zwei annähernd halbkreisringförmige Steueröffnungen 11,12 aufweist,
deren Form in F i g. 2 zu erkennen ist. In der Steueröffnung 11 herrscht ein Druck
P1, und in der Steueröffnung 12 herrscht ein Druck P2, wobei P1 der Ansaugdruck
und P2 der Förderdruck ist, der wesentlich höher ist als der Ansaugdruck P1.
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Der Winkel y zwischen der Führungsebene 4 und der Drehachse
2 der Zylindertrommel 1 ist veränderlich, da die Zylindertrommel 2
um die Achse 9 schwenkbar ist. Die Achse 9 ist somit definiert als die Durchdringungslinie
zwischen einerseits der Führungsebene 4 und andererseits einer senkrecht auf der
Zylindertrommeldrehachse 2 und auf der Zeichenebene gemäß F i g. 1 stehenden Ebene.
Die Achse 9 ist in F i g. 2 strichpunktiert auf die Steuerspiegelebene projiziert
dargestellt. Die strichpunktiert gezeichnete Linie 20 steht genau senkrecht auf
der Projektion der Achse 9 in die Steuerspiegelebene. Ferner ist gestrichelt dargestellt
die Stellung einer Zylinderbohrung 10, die diese einnimmt, wenn der Kolben
5 in dieser Zylinderbohrung 10 seine Totpunktstellung einnimmt und
die Zylindertrommel 1 ohne Nacheilung gegenüber den Kugelköpfen 7 in der Führungsebene
4 mitgenommen wird.
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Außerdem sind zur Verdeutlichung der Erfindung strichpunktiert die
gedachten Kanten 13 und 14 der Steueröffnungen 12 und 11 eingezeichnet in denjenigen
Lagen, in denen bei Totpunktstellung eines Kolbens 5 bei Mitnahme der Zylindertrommel
ohne Nacheilung, d. h. durch die Achse 9 definierter Totpunktstellung, die Öffnung
der zugehörigen Zylinderbohrung 10 gerade noch die Kante 14 berühren würde, d. h.
gerade der Abschluß der Zylinderbohrung 10 durch den Trennsteg 17 erfolgen würde.
Die Kante 13 würde bei Totpunktstellung des Kolbens 5 mit der vorauslaufenden Kante
dieser Zylinderbohrung 10 tangieren, d. h., der überdeckungsgrad würde nur
um das mit Rücksicht auf Herstellungstoleranzen erforderliche Maß größer als Eins
sein. Die tatsächlich ausgeführte Kante 15 der Steueröffnung 12 bzw. 11 ist gegenüber
der Lage einer Kante 13 in Umlaufrichtung der Zylindertrommel 1 versetzt, so daß
der überdeckungsgrad wesentlich größer als Eins wird und ein von der Drehachse 2
aus an die Kante 15 gezogener Strahl mit der Projektion der Achse 9 einen Winkel
a einschließt. Die Kante 15 ist dabei gegenüber einer Lage einer Kante 13 um, bezogen
auf die Drehachse 2, einen Winkel qpi versetzt, wobei dieser Winkel (p, das 0,5-
bis 0,8-fache desjenigen Winkels beträgt, der als größter Nacheilungswinkel der
Zylindertrommel l gegenüber den Kugelköpfen 7 auftreten kann.
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Gemäß der Erfindung ist darüber hinaus auch noch die zweite tatsächlich
ausgeführte Kante 16 der Steueröffnung 11 bzw. 12 entgegen der Umlaufrichtung der
Zylindertrommel l versetzt, so daß dadurch der Trennsteg 17 noch breiter und der
Überdeckungsgrad noch größer wird. Diese Versetzung gegenüber der Lage einer Kante
14 ergibt, auf die Drehachse 2 der Zylindertrommel 1 bezogen, einen Winkel a, so
daß ein von der Drehachse 2 aus an die Kante 16 gezogener Strahl mit der Projektion
der Achse 9 einen Winkel ß einschließt, der auf jeden Fall größer ist als der Winkel
a. Der Winkel 8 ist dabei das 0,5- bis 0,7-fache desjenigen Winkels, der
bei der gegebenen Triebwerkskonstruktion - als größter Nacheilungswinkel der Zylindertrommel
l gegenüber den Kugelköpfen 7 und damit als Verschiebung der Totpunktstellungen
auftreten kann. Der Winkel ist dabei auf jeden Fall kleiner gewählt als der Winkel
99l.
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Die Kante 15 ist also diejenige Kante zwischen dem Trennsteg
17 und der jeweils mit einer Zylinderbohrung 10 in Verbindung tretenden
Steueröffnung 11 bzw. 12, über die die Verbindung zwischen der Zylinderbohrung 10
und der Steueröffnung 11 bzw. 12 hergestellt wird, d. h. diejenige Kante, an der
die Öffnung der Zylinderbohrung 10 den Trennsteg 17 verläßt. Von der Kante 15 aus
erstreckt sich in den Trennsteg 17 hinein eine keilförmige, aus einem Fußteil 18
und einem Kopfteil 19 bestehende Druckausgleichsnut. Der Fußteil 18 reicht bis zur
Kante 13, hat einen großen Querschnitt und weist von der Kante 13 aus bis zur Kante
15 eine große Querschnittszunahme auf. Der an den Fußteil 18 sich anschließende
Kopfteil 19 ist spitz und erweitert sich ausgehend von seiner Spitze mit
kleinstem technisch herstellbaren Querschnitt mit geringer Querschnittszunahme bis
zur Kante 13. Die Länge des Kopfteils 19 .beträgt das 0,7-fache des Abstands der
beiden Kanten 13 und 14.
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Die Wirkungsweise der Druckausgleichsnut ist derart, daß durch deren
Kopfteil 19 die Zylinderbohrung 10 schon früh mit der angesteuerten Steueröffnung
11 bzw. 12 in Verbindung gebracht wird, wobei jedoch infolge des sehr kleinen Querschnitts
des Kopfteiles 19 der Druckausgleichsnut kein nennenswerter Kurzschlußstrom entstehen
kann. Sobald aber der Kolben 5 in der Zylinderbohrung 10 in nennenswertem Maße eine
Verschiebebewegung durch Verlassen seiner Totpunktstellung beginnt, wird die Zylinderbohrung
10 durch den Fußteil 18 mit der jeweils angesteuerten Steueröffnung 11 bzw. 12 verbunden,
wobei die durch die Verschiebebewegung des Kolbens 5 aus der Zylinderbohrung
10
verdrängte oder in diese hineingesaugte Arbeitsflüssigkeit durch den Fußteil
18 ohne nennenswerten
Widerstand fließen kann, da der Fußteil
18 einen mit Rücksicht auf die noch sehr kleine Kolbengeschwindigkeit hinreichenden
Querschnitt aufweist.