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EINRICHTUNG ZUM ZWEITEILEN EINES FLÜSSIGKEITSSTROMES Die Erfindung
betrifft Einrichtungen zum Zweiteilen eines Flüssigkeitsstromes und ist zum Einsatz
in Hydraulikanlagen von Maschinen bestimmt, insbesondere zur Synchronisierung von
Stellorganen (bei Hydromotoren, Hydraulikzylindern) unabhangig von der auf diese
Organe einwirkenden Außenbelastungsgröße.
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Es sind Einrichtungen zum Aufteilen des Flüssigkeitsstromes bekannt
(s. Katalog der Firma Lockheed), die eine Dretwege--Schiebereinrichtung enthalten,
in de r en Innerem sich der zugeführte Flüssigkeitsstrom in zwei Teile verzweigt.
Das bejegliche Glied der Schiebereinrichtung hat Kanäle, die die Einlaßöffnung der
Einrichtung mit den Auslaßkanälen sowie mit den geschlossenen stirnseitigen' Kammern
verbinden. Die Kanal abschnitte zwischen der Einlaß öffnung und den Auslaßkanälen
haben Drosselbohrungen mit kontantbleibendem Querschnitt, die Auslaßkanäle des beweglichen
Gliedes aber bilden mit diesen der Schiebereinrichtung Drossseldurchgänge veränderlichen
Querschnitts.
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Jeder der verzweigten Ströme läuft durch diese Drosseln bohrungen
bzw. -durchgänge konstanten bzw. veränderlichen Querschnitts.
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Falls die mit den Auslaßkanälen der Einrichtung verbundenen Stellorgane
durch gleiche Außenbelastungen beansprucht werden, d.h. wenn sie gleiche Widerstände
dem Durchlauf der Flüssigkeit erzeugen, so liegt das bewegliche Glied der Schiebereinrichtung
in seiner Mittelstellung. Deshalb sind auch die Widerstände beider Drosseldurchgänge
veränderlichen Querschnitts einander gleich.
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An den Drosselbohrungen konstanten Querschnitts entstehen gleiche
Druckabfälle , wodurch der Flüssigkeitsstrom in beiden Verzweigungen der Einrichtung
ebenfalls gleich wird.
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Falls die mit den Auslaßkanälen der Einrichtung verbunden nen Stellorgane
durch unterschiedliche Außenbelastungen beanspruchs werden, d.h. falls sie unterschiedliche
Widerstände beim Durchlauf der Flüssigkeit erzeugen, so beginnt das bewegliche Glied
sich an die Seite des Ausiaßkanals mit kleinerem Widerstand zu verschieben, wobei
der Durchlaufquerschnitt der veränderlichen Drosseldurchgänge an dieser Seite verkleinert-und
solcher an der gegenüberliegenden Seite vergrößert wird.
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Di8 Hubbewegung
bis die Druckgrößen in den geschlossenen stirnseitigen Kammern der Schiebereinrichtung
einwander gleich werden. Das bewegliche Glied der Schiebereinrichtung ist dann wieder
im Glächgewicht.
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An den konstanten Drosselbohrungen setzen also gleiche Druckabfälle
ein, der Druck in den geschlossenen stirnseitigen Kamern wird durch das bewegliche
Glied der Schiebereinrichtung ausgeglichen und dadurch ist auch der Flüssigkeitsdurchfluß
in
beiden Abzweigungen der Einrichtung gleich.
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Durch Versuche wurde jedoch festgestellt, daß bei Flüssigkeitsdurchflüßmengen
von über 20...30 l/min und bei einer bedeutenden Druckdifferenz in den mit den Auslaßkanäien
verbundenen Durchgängen eine wesentliche Beeinflussung der Gleichgewichtsstellung
des beweglichen Gliedes der Schiebereinrichtung durch die Differenz zwischen den
Axialkomponenten der hydrodynamischen Rückwirkungskräfte beginnt, die beim Durchtritt
der Flüssigkeit durch die Drosseldurchgänge veränderlichen Querschnitts entstehen.
Jede dieser Kräfte ist bestrebt, das der bewegliche Glied Schiebereinrichtung in
Richtung der Querschnittsverringerung der veränderlichen Drosseldurchgänge zu versetzen.
Da diese Kraft ungefahr dem Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit
proportional ist entsteht am veränderlichen Drosseldurchgang, dessen Durchgangsquerschnitt
kleiner ist, eine bedeutend größere hydrodynamische Rückwirkungskraft als am anderen
veränderlichen Drosseldurchgang.
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Deshalb ist die Differenz zwischen den Axialkomponenten der hydrodynamischen
Rückwirkungskräfte bestrebt, das beweglichen Glied der Schiebereinrichtung im Sinne
weiterer Verringerung des Dur chl aufjuerschnittes im veränderlichen Drosseldurchgang
der weniger belasteten Seite, dessen querschnitt schon kleiner ist, zu versetzen.
Infolgedessen wird das Gleichgewicht des Stellorganes bei verschiedenen Druckwerten
in den geschlossenen stirneeitigen Kainiern der Schiebereinrichtung gewährleistet,
wodurch an den Drosselbohrungen nit konstantem Querschnitt verschiedene Druckabfälle
einsetzen und folglich auch ein unterschiedlicher Flüssigkeitsdurchfluß in den Abue
igungen der Einrichtung zur Aufteilung des Flüssigkeitsstromes. Durch Versuche wurde
ebenfalls festgestellt, daß bei den hier erwähnten
Betriebsabläufen
die Druckdifferenz in den geschlossenen stirnseitigen Kammern der Schiebereinrichtung
nur bis 1 kp/cm2 beträgt und daß das aber für die Entstehung von Aufteilungsfehlern,
die in Abhängigkeit von der Bauart der Einrichtung und ihrer Fertigungsgüte im Bereich
von 2 bis 10% liegen, genügt.
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Außerdem wird der Aufteilungsfehler bei höheren Werten des absoluten
Druckes (ca. 200...300) kp/cm2) wesentlich größer infolge Uberströmung der Flüssigkeit
durch die Spalte der Schiebereinrichtung aus den unter Druck stehendeatIonenräumen
in solche, die nicht belastet sind.
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Bei einem Dauerbetrieb xer bekannten Einrichtungen zur Aufteilung
der Strömung unter verschiedenen aber dauernd unveranderlichen Belastungen der mit
den Auslaßkanälen der Einrichtung verbundenen Durchgänge entsteht eine wirkliche
Gefahr eines hydraulischen Verkeilens des beweglichen Gliedes der Schiebereinrichtung,
wodurch entweder eine wesentliche Vergrößerung des Aufteilunsfehlers oder eine vollständige
Unterbrechung der Arbeit der Einrichtung und folglich ein Betriebsunf all entstehen
kann.
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Die vorliegende Erfindung bezweckt die Beseitigung der erwaänt en
Mängel.
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Als Grundlage der Erfindung wurde die Aufgabe angenommen, eine Einrichtung
zum Zweiteilen vom Flüssigkeitsstrom zu entwickeln, in der der Strom mit großer
Genauigkeit ohne Vermehrung von Energieverlusten in zwei Teile aufgeteilt werden
kann, die bei jedem Arbeitszustand mit gleichhoher Genauigkeit betrieben werden
soll und in der die Überströmungen von Flüssigkeit durch die Spalte am beweglichen
Glied keinen Einfluß
auf die Genauigkeit- deren Betriebes ausüben.
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Diess Aufgabe ist, dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß in der Einrichtung
zum Zweiteilen des Flüssigkeitsstromes, die eine Dreiwegeschiebereinrichtung enthält,
de r en bewegliches Glied Kanäle hat, die den Einlaß, der Einrichtung mit deren
Auslaßkanäle,n und geschlossenen stirnseitigen Kammern verbinden, wobei an den Kanal
abschnitten zwischen dem Einlaß- und Auslaßstutzen der Schiebereinrichtung Drosselbohrungen
konstanten Querschnitts angeordnet sind, die Auslaufkanäle des beweglichen Gliedes
aber bei seiner Bewegung mit den Auslaßkanälen der Schiebereinrichtung gemeinsam
Drosseldurchgänge veränderlichen Querschnitts bilden, an die Auslaßkanäle der Dreiwegeschiebereinrichtung
ein Vierwegedruckwandler geschaltet ist , dessen bewegliches Glied auch Kanäle hat,
die die Einlaßöffnungen des Wandlers mit seinen entsprechenden geschlossenen stirnseitigen
Kammern verbinden, die Auslaßkanäle des beweglichen Gliedes aber gemeinsam mit den
Austrittsöffnungen des Druckwandlers die Drosseldurehgänge veränderlichen Querschnitts
bilden.
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Im folgenden wird die Erfindung durch die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
au Hand der beigelegten Zeichnungen näher erläutert, es zeigt Fig. 1 den Längsschnitt
der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Zweiteilung des Flüssigkeitsstromes, Fig.
2 den erfindungsgemäßen Schnitt II-II der Fig. 1.
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Im Gehäuse 1 (Fig. 1) der Einrichtung zur Zweiteilung des Flü'ssigkeitsstro'mes
ist eine Dreiwegeschiebereinrichtung 2 mit dem in der Bohrung 4 angeordneten beweglichen
Glied 3 und
Vierwegedruckwandler 5 mit dem sich in der Bohrung 7
bewegenden Glied 6 angeordnet.
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Der im Anguß 9 des Gehäuses 1 ausgeführte Einlaßstutzen 8 der Dreiwegeschiebereinrichtung
2 dient als einlaß der Einic4-tung. Die Austrittstutzen 10 und 11 des Vierwege,wandlers
5, die entsprechend in den Angüssen 12 und 13 des Gehäuses vorgesehen sind,dienen
als Auslaßkanäle der Einrichtung'.
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Die Bohrung 4 ist mit konzentrischen Ringnuten 14, 15 und 16, die
Bohrung 7 aber mit konzentrischen Ringnuten 17, 18, 19 und 20 versehen. Die Bohrung
4 ist auf beiden Seiten durch die Verschlußschrauben 21 und 22 mit den Dichtungsringen
23 und 24 geschlossen, die Öffnung 7 aber durch die Verschlußschrauben 25 und 26
mit den Dichtungsringen 27 und 28.
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Im Gehäuse sind auch die Sacklöcher 29 und 30 vorgesehen, die gleichzeitig
als Austrittskanäle der Dreiwegeschiebereinrichtung 2 und als Einlaßbohrungen des
Vierwegedruckwandlers 5 dienen. Die Bohrung 29 verbindet die Ringnut 14 mit der
Ringnut 18 und die Bohrung 30 die Ringnut 16 mit der Ringnut 19.
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Die Bohrungen 29 und 30 dienen erforderlichenfalls auch zum Anschluß
von Manometern.
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Die Ringnut 15 ist mit dem Einlaßstutzen 8 durch die Ovalbohrung
31, die Ringnuten 17 und 20 aber sind mit den Austrittstutzen 10 und 11 durch die
Ovalausdrehungen 32 und 33 verbunden.
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Das bewegliche Glied 3 der Dreiwegeschiebereinrichtung 2 hat die
Kanäle A, B und C, die entsprechend durch die Planken 34 und 35, 36 und 37, 38 und
39 begrenzt sind.
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Der Einlaßstutzen 8 ist über den mit den Flanken 36 und 37 begrenzten
Kanal B durch die Radialbohrungen 40 mit dem Innenkanal 41 des beweglichen Gliedes
3 verbunden und über die
in den Scheiben 44 bzw. 45 ausgeführten
Drosselbohrungen 42 und 43 konstanten Querschnittes sowie abgestufte Ausdrehungen
4b, 47 mit den geschlossenen stirnseitigen Kammern 48 und 49 der Schiebereinrichtung
2.
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Die Ausdrehung 46 ist durch die Tangentialbohrungen 50 (Bild 1, 2)
mit dem durch die Flanken 34 und 35 gebildeten Auslaßkanal A des beweglichen Gliedes
3 (Fig. 1) verbunden, die Ausdrehung 47 aber durch die Tangentialbohrungen 51 mit
dem anderen durch die Flanken 38 und 39 gebildeten Auslaßkanal C des Gliedes 3.,
Der durch die Flanken 34 und 35 begrenzte Auslaßkanal A im Glied 3 bildet mit der
Flanke 52 der Ringnut 14 einen Drosseldurchgang veränderlichen Querschnitts, der
mit der Bohrung 29 verbunden ist, der durch die Flanken 38 und 39 begrenzte Auslaßtanal
C aber bildet mit der Flanke 53 den anderen Drosseldurchgang veränderlichen Querschnitts,
der mit der Bohrung 30 verbunden ist.
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Die Scheiben 44 und 45 sind durch die Verschlußschrauben 54 und 55
über die Dichtungseinlagen 56 und 57 an die Innenstirnflächen der Ringnuten gepreßt.
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Der bewegliche Kolben 6 des Vierwegewandlers 5 hat die Kanäle a,
b, c, die durch die Flanken 58 und 59, 60 und 61, 62 und 63 begrenzt sind sowie
auch die TnnPnkanäle 64 und 65. Die Kanäle 64 und 65 verbinden durch die radialen
Dämpfunsbohrungen 66 und 67 die Bohrungen 29 und 30 mit den entsprechenden geschlossenen
stirnseitigen Kammern 68 und 69 der Schiebereinrichtung 5. Die durch die Flanken
58, 59 und 62, 63 begrenzten Kanäle dienen als Auslaßkanale des beweglichen Gliedes
6 und bilden entsprechend mit den Flanken 70 und 71 die Drosseldurchgänge veränderlichen
Que£schhitts, welche mit
den Austrittstutzen 10 und 11 der Einrichtung
verbunden sind.
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Der Betrieb der erfindungsgemäßen Einrichtung verläuft in folgender
Weise: Der zum Einlaßstutzen 8 zugeführte Strom der Arbeitsflüssigkeit läuft durch
die Ovelbohrung 31 und wird zur Ringnut 15 des Gehäuses geleitet. Von hier aus strömt
die Flüssigkeit durch den von den Flanken 36 und 37 gebildeten Kanal B im beweglichen
Glied 3 und durch die Radialbohrungen 40 zum Innenkanal 41, in dem der Flüssigkeitsstroni
verzweigt wird und durch die Bohrungen 42 und 43, welche die Drosselbohrungen konstanten
Querschnitts sind, weiterfließt zu den geschlossenen stirnseitigen Kammern 48 und
49. Danach wird die Flüssigkeit durch die Tangentialbohrungen 50 (Fig. 1 und 2)
und 51 (Fig. 1) und durch die Drosseldurchgänge veränderlichen Querschnittes, welche
einerseits durch die Flanken 35 und 52 und andererseits durch die Flanken 38 und
53 gebildet sind, zu den Bohrungen 29 und 30 und von hier aus zu den Ringnuten 18
und 19 des Vierwegewandlers 5 geleitet. Aus den Ringnuten 18 und 19 fließt die Flüssigkeit
durch die Drosseldurchgänge veränderlichen Querschnittes, die einerseits durch Flanken
59 und 70,, er anderseits aber durch Flanken 62 und 71 gebildet sind, zu den Ringnuten
17 und 20 und weiter durch die Ovalbohrungen 32 und 33 in die tustrittstutzen 10
und 11. Der Flüssigkeitsdruck wird aus den Muien der Ringnuten 18 und 19 durch die
radialen Dämpfungsbohrungen 65 und 67 und durch die Innenkanäle 64 und 65 in die
geschlossenen stirnseitigen Kanern 68 und 69 des Wandlers 5 übertragen.
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Das bewegliche Glied 6 des Wandlers 5 ist nur dann im
Gleichgewicht,
wenn die Druckgrößen in den Kammern 68 und 69 gleich sind. Da aber diese Klammern
mit den Auslaßbohhrungen der Schiebereinrichtung 2 (Bohrungen 29 und 30) verbunden
sind, sichert das G1eichgewcht'des beweglichen Gliedes 6 die Druckgrößengleichheit
in den Auslaßkanälen der Schiebereinrichtung 2.
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Bei einer Gleichheit der Druckgrößen in den äußeren mit den Austrittstutzen
10 und 11 verbundenen Kanälen nehmen die beweglichen Glieder 3 und 6 die Mittelstellung
ein, bei der die Widerstände der veränderlichen Drosseln beider Schiebereinrichtungen
gleich sind. Dabei entstehen an beiden Drosseln konstanten Querschnittes (Bohrungen
42 und 43) gleiche Druckabfälle, wodurch auch die Gleichheit des durch diese Drosseln
verursachten Flüssigkeitsverbrauchs gewährleistet wird.
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Die Vergrößerung des auf das Stellorgan ausgeübten Druckes,
z.B. auf daifi welches mit dem Austrittstutzen 10 verbunden ist, erzeugt eine Verringerung
des Druckabfalls an der linken Drossel konstanten Querschnittes (Bohrung 42) und
folglich eine Druckerhöhung in den Kammern 68 und 48. Beide beweglichen Glieder
sind bestrebt, sich nach rechts zu versetzen, indem sich aber das bewegliche Glied
6 versetzt; es drosselt die Flüssigkeit mittels seiner rechten veränderlichen Drossel
ab (die durch die Flanken 62 und 71 gebildet ist) und gleicht die Druckg en in den
Räumen der Ringnuten 18 und 19, in den Kammern 68 und 69, in den Bohrungen 29 und
30, in den Bäumen der Ringnuten 14 und 16 und in.den Kammern 48 und 49 aus. Deshalb
ist das bewegliche Glied 3 der Schiebereinrichtung 2 nur bestrebt sich zu versetzen,
in Wirklichkeit aber verschiebt sich nur das Glied 6.
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Die Verschiebung des letzteren verläuft solange, bis der Druck sich
in den Räumen der Ringnuten 18 und 19 und folglich auch in den mit diesen verbundenen
Bohrungen 66, 64 und 67, 65 der geschlossenen stirnseitigen Kammern 68 und 69 ausgleicht.
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Die auf diese Weise erzeugten gleichen Druckgrößen in den Kammern
48 und 49 gewährleisten gleiche Druckabfälle an den Drosselbohrungen des konstanten
Querschnittes 42 und 43 und somit die Gleichheit des Flüssigkeitsdurchllisses in
beiden Zweigen der Einrichtung.
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Die Differenz zwischen den Axialkosponenten der hydrodynamischen
Rückwirkungskräfte, die an den Drosseldurchgängen veränderlichen Querschnittes,
welche durch Flanken 59 und 70 sowie 62 und 71 gebildet sind, entstehen, erzeugt
eine Druckdifferenz in den Räumen der Ringnuten 18 und 19 und folglich auch in den
Räumen der Ringnuten 14 und 16, die unter 1 kp/cm2 liegt. Das bedeutet aber, daß
die eigentliche Teilungsstufe, d.h. das bewegliche Glied 3 mit den Drosselbohrungen
42 und 43 bei einer Druckdifferenz in den Bohrungen 29 und 30 funktioniert, die
niemals mehr als 1 kp/cm2 beträgt.
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Dank dieses Umstandes liegt das den Aufteilungsvorgang ausführende
bewegliche Glied 3 bei beliebiges Druckverhältnis an den Austrittstutzen 10 und
11 in der Nähe seiner Mittelstellung, wodurch die Gleichheit der an den Drosseldurchgängen
des veränderlichen Querschnittes des Gliedes 3 entstehenden Axialkomponenten der
hydrodynamischen Rückwirkungskräfte und folglich auch die hohe Arbeitsgenauigkeit
des beweglichen Gliedes 3 gewährleistet sind.
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Auf diese Weise wird die Erhöhung der Aufteilungagenauigkeit ohne
Vergrößerung der Energieverluste erreicht.
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Rückströme der Blüsaigkeit durch die Spalte der Dreiwegeschiebereinrichtung
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finden nicht statt, da der Druck in allen seinen Räumen (Ringnuten 14, 15 und 16,
Kammern 48 und 49) praktisch derselbe ist.
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In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel können Rückströmungen durch
die Spalte des Vierwegewandlers 5 nur aus der Kammer 69 in den Raum der Ringnut
20 (oder aus der Kammer 6d in den Raum der Ringnut 19) stattfinden, da zwischen
diesen Räumen die maximale Druckdifferenz entsteht.
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Diese Rückströme können aber nicht die Genauigkeit der Aufteilung
beeinflussen, da durch die Bohrung 20 die bereits geteilte Flüssigkeit strömt, die
auf zwei Wegen zum Austrittstutzen 11 geleitet wird - durch den rechten Drosseldurchgang
veränderlichen Querschnittes des Wandlers 5 und durch die Bohrung 67, Kanal 65 in
die Kammer 69 und danach weiter durch den Spalt zwischen dem beweglichen Glied 6
und Gehäuse - in den Raum der Ringnut 20.
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Daraus folgt, daß in der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Zweitelung
eines Flüssigkeitsstromes die Rückströmungen von Flüssigkeit zwischen den Räumen
keinen Einfluß auf die Genauigkeit der Aufteilung ausüben0 Durch Versuche wurde
weiter festgestellt, daß es zweck mäßig ist, den beweglichen Glied 3 der Schiebereinrichtung
2 eine Drehbwegung su verleihen. Die dank des Reaktionsmomentes, der beim Durchlauf
der Flüssigkeit durch die Tangentialbohrun gen zwei 51 entsteht, einsetzende Drehung
des Kolbens 3 beseitigt den Einfluß der Haftreibung der Ruhe auf die Empfindlichkeit
des Kolbens 3. Falls das bewegliche Glied 6 verkeilt wird, so erzeugt der bewegliche
Kolben 3, index es sich versetzt, in
den Kammern 68 und 69 eine Druckdifferenz, die für Anlaufen den verkeilten Glieden
6 ausreicht. Das Verkeilen des beweglichen
Kolbens 3 (Arbeitskolbens
3) ist in der Praxis vollständig beseitigt, da er wie bereits oben erwähnt wurde,
stets im Wirkungsbereich nur eines Druckes liegt und rotiert.
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Das Verkeilen aber entsteht bekanntlich nur bei Uberströmungen der
Flüssigkeit durch die Spalte der Schiebereinrichtung aus Hochdruckräumen in Räume
mit wesentlich kleinerem Druck. Eine derartige Wechselwirkung beider Schiebereinrichtungen
sichert insgesamt die hohe Zuverlässigkeit der erfindungsgemäßen Einrichtung zur
Zweiteilung des Flüssigkeitsstromes.
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Somit ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäße Einrichtung zill
Vergleich mit bekannten Bauarten mehrere Vorzüge aufweist. Sie gewährleistet die
Ausführung des Zweiteilens des Flüssigkeitsstromes mit einer erheblich höheren Genauigkeit
und ohne Vergrößerung von Energieverlusten. außerdem übt, wie aus der Beschreibung
ersichtlich ist, die Differenz zwischen den Axialkomponenten der hydrodynamischen
Ruckw irkungskräft e, welche an den Drosseldurchgängen veränderlichen Querschnittes
entstehen, keinen Einfluß auf die Genauigkeit der Zweiteilung des Flüssigkeitsstromes
aus, wodurch die erfindungsgemäße Einrichtung mit gleich hoher Genauigkeit zum Betrieb
unter beliebigen Verhältnissen eingesetzt werden kann, In der Einrichtung ist grundsätzlich
das hydraulische Verkeilen der beweglichen Glieder
beseitigt, dadurch wird hohe Zuverlässigkeit der Einrichtung gesichert.
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Auch die Überströmung von Flüssigkeit aus Hochdruck- in Niederdruckräume
durch die Spalte übt auf die Teilungagenauigkeit keinen Einfluß aus.
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Obwohl die beschriebene und in den Zeichnungen dargestellte trons
erfindungsgemäße Einrichtung zur Zweiteilung eines Flüss igkeits besti:-t ist, wird
das Wesen dieser Erfindung durch ihre An-