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Spiegelgesteuerte hydrostatische Axialkolbenmaschine = = = = = =
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= = = = = Die Erfindung betrifft eine spiegelgesteuerte hydrostatische Axialkolbenmaschine
(Pumpe oder Motor) mit einem beweglichen Steuerspiegelkörper und mit in der Ebene
des Steuerspiegels liegenden nierenförmigen Steuernuten und diesen benachbarten
Zonen niedrigen Druckes sowie mindestens zeitweise unter Hochdruck befindlichen
Entlastungsnuten.
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Durch die deutsche Patentschrift 976 964 ist bereits ein Steuerspiegel
bekannt geworden, der gewissermaßen in drei ringförmige, zueinander konzentrische
Abschnitte unterteilt ist, die aus den im inneren Umfangsbereich liegenden Steuernuten,
der diese umt gebenden in sich geschlossenen kreisförmigen Ringnut niedrigen Druckes
und der im äußeren Umfangsbereich vorgesehenen Entlastungsnut bzw. den Entlastungsfeldern
gebildet sind.
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Die Zuführung von Druckflüssigkeit zu den außenliegenden Bereichen
der Entlastung wurde bei dem Gegenstand dieser Patentschrift derart getroffen, daß
lediglich über einen bestimmten Drehwinkel der aufeinandergleitenden Flächen von
Zylindertrommel und Steuerspiegel und zwar durch die Anordnung von Sackbohrungen
kleinen Volumens in der Zylindertrommelfläche Druckflüssigkeit intermittierend zu
den in der Steuerspiegelfläche vorgesehenen Entlastungsbereichen gelangen konnte.
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Diese bekannte Bauart weist jedoch neben dem Nachteil der periodiahen
Kraft einwirkung und der damit verbundenen ungünstigen Beeinilussung der Laufruhe
den weiteren wesentlichen Nachteil auf, laß die Drehzahl der Axialkolbenmaschine
im Hinblick auf
den Anfall an Leckflüssigkeit und damit auch für
die gesamte Charakteristik der Maschine eine maßgebende Rolle spielt. Durch unterschiedliche
Belastungen hervorgerufene Drehzahlschwankungen erfolgen die Kontaktzeiten zwischen
den Druckleitungen und den Entlastungsbereichen nicht gleichmäßig, so daß der Zustrom
an Lruckflüssigkeit ebenfalls erheblichen Unregelmäßigkeiten unterworfen ist. Die
Entlastungskräfte steigen und fallen somit unkontrollierbar. Namentlich bei niedrigen
Drehzahlen erhöht sich der Zufluß der Druckflüssigkeit zu den Entlastungsbereichen
durch eine relativ lange Kontaktzeit zwischen Entlastungsbereich und Druckleitung.
Die Höhe der Entlastung steigt somit, der Spalt zwischen Zylindertrommel und Steuerspiegel
erweitert sich und die Leckage wird stark vergrößert. Geht dann die Drehzahl gegen
Null, ist ein Abheben des Steuerspiegels die unvermeidliche Folge.
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Aus diesem Grunde war auch die Praxis gezwungen, zwischen den zweckmäßigen
Arbeitsdrehzahlen der Maschine und der konstruktiven Ausgestaltung des Steuerspiegels
einen Kompromiß zu schließen, der auf der einen Seite zwar nicht zuließ, niedrige
bzw. hohe Drehzahlen fahren zu können, auf der anderen Seite aber dafür einen allzu
hohen Verlust an Leckflüssigkeit vermied.
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Im einzelnen bedeutete dies, daß beispielsweise bei hohen Drehzahlen,
wo die Kontaktzeit wesentlich reduziert wird und somit die Möglichkeit nicht ausgeschlossen
werden kann, daß die Zuführung von Druckflüssigkeit zu den Bereichen der Entlastung
unterbleibt und die Entlastungskräfte nicht zum Tragen kommen, die in der Zylindertrommelfläche
eingearbeiteten Kontaktbohrungen zwar vergrößert werden können. Würde jedoch diese
bei hohen Drehzahlen dann gut funktionierende Maschine mit niedrigen Drehzahlen
gefahren werden, wendet sich die vorherige positive Maßnahme genau ins Gegenteil
und die Entlastungskräfte würden aufgrund der dann zu großen Kontaktbohrungen in
nicht mehr tragbare Größenordnungen steigen.
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Umgekehrt ist dies auch bei niedrigen Drehzahlen der Fall.
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Wird die Maschine mit entsprechenden kleinen Kontaktbohrungen
ausgelegt,
so wird sich ihre dann gute Arbeitsweise beim Übergang zu höheren Drehzahlen kontinuierlich
verschlechtern, weil einfach die ausreichende Speisung der Entlastungsbereiche mit
Druckflüssigkeit nachläßt bzw. zuletzt sogar fehlt.
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Es kommt folglich in der Praxis immer nur eine Lösung zur Anwendung,
die in dem gewünschten Drehzahlbereich den Anforderungen entspricht. Abweichungen
in der Drehzahl nach oben oder unten verschlechtern die Eigenschaften der Maschine.
Eine Lagerhaltung mit mehreren Typen für die verschiedenen Drehzahlbereiche ist
daher unbedingt erforderlich ùnd erhöht den Aufwand beträchtlich.
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Weiterhin ist ein Steuerspiegel durch die AS 1 126 735 bekannt geworden,
bei dem einige der vorgeschilderten Nachteile dadurch beseitigt werden sollten,
daß statt der intermittierenden Zuführung der Druckflüssigkeit zu den Entlastungsbereichen
eine fortlaufende Speisung vorgesehen wurde. Hierbei gelangte die Druckflüssigkeit
über eine in der Ebene des Steuerspiegels angeordnete radial gerichtete Verbindungsnut
von der mit einer Bohrung in die Steuerspiegelfläche mündenden Druckleitung in den
äußeren Entlastungsbereich.
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Diese Lösung kann aber ebenfalls als nicht befriedigend angesehen
werden. Die Verbindungsnut steht nämlich in unmittelbarer Verbindung mit dem Spalt
zwischen der Zylindertrommel und dem Steuerspiegel und vergrößert bzw. verkleinert
mithin ihren Durchflußquerschnitt stets in Abhängigkeit von der Größe des Spaltes.
Dieser ist aber wiederum abhängig von der Druckhöhe und der Drehzahl der Maschine.
Eine derartige Maßnahme läßt keine genaue Definition der Menge der zugeführten Druckflüssigkeit
zu und ermöglicht somit auch keine genaue Festlegung der Charakteristik des Entlastungsbereiches.
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Diesem Entlastungsbereich ist folglich auch hier - wie bei dem Gegenstand
nach der deutschen Patentschrift 976 964 -eine variable Drossel vor- und eine variable
Drossel nachgeschaltet. Eine von der Drehzahl der Maschine unabhängige exakte Bestimmung
der dem Entlastungsbereich zugeführten Druckflüssigkeitsmenge
und
damit eine genaue Festlegung der Höhe der Entlastung ist nicht möglich.
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Der Erfindung liegt mithin die Aufgabe zugrunde, eine spiegelgesteuerte
hydrostatische Axialkolbenmaschine mit einem beweglichen Steuerspiegelkörper zu
schaffen, bei dem den in der Steuerspiegelebene liegenden Entlastungsbereichen eine
genau definierte Menge Druckflüssigkeit zugeführt und die Leckage im Spalt unabhängig
von der Drehzahl der Maschine gehalten wird.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Entlastungsnuten
sowohl gegenüber den am Innenumfang des Steuerspiegels liegenden Steuernuten als
auch gegenüber der Peripherie des Steuerspiegels jeweils durch eine in sich geschlossene
ringförmige Nut definierten niedrigen Druckes begrenzt und über im Steuerspiegelkörper
angeordnete, direkt in die Entlastungsnuten mündende Zuführungsbohrungen ununterbrochen
mit den Druckleitungen verbunden sind.
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Zwei Maßnahmen bieten mithin im wesentlichen die Gewähr dafür, daß
sowohl eine leckflüssigkeitsarme als auch - mit Bezug auf die Leckage - drehzahlunabhängige
Axialkolbenmaschine geschaffen worden ist. Zunächst ist dies die erfindungsgemäße
Aufteilung des Steuerspiegels in zwei konzentrisch zueinander liegende Arbeitsbereiche,
in denen jeweils die Druckflüssigkeit voll für sich zur Wirkung gelangen kann. Die
Zonen definierten niedrigen Druckes, beispielsweise mit Atmosphärendruck, trennen
als ringförmige in sich geschlossene Nuten in der Ebene des Steuerspiegels vollständig
die Entlastungsnuten von den Steuernuten.
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Jeder Druckabbau - von den Randbereichen der Steuer- bzw. Entlastungsnuten
ausgehend - ist einwandfrei über die gesamte Lauffläche bestimmt. Keine weiteren
diese Arbeitsbereiche verbindenden Nuten sind mehr vorhanden, so daß dadurch eine
gleichmäßige Tragfläche zwischen Zylindertrommel und Steuerspiegelkörper garantiert
ist.
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Die zweite Maßnahme ist die, daß die den Entlastungsnuten direkt und
ununterbrochen zugeführte Flüssigkeitsmenge hinsichtlich
ihrer Größe
genau vorherbestimmbar und mit Bezug auf ihren Druck nur von dem in den Hochdrucksteuernuten
herrschenden Druck abhängig ist. Die Spaltstärke hat folglich keinen Einfluß mehr
auf die den Entlastungsnuten zugeführte Flüssigkeitsmenge. Die Drehzahlabhängigkeit
ist ausgeschaltet.
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Zur exakten Bestimmung der den Entlastungsnuten zugeleiteten Flüssigkeitsmenge
besitzen die Zuführungsbohrungen einen gedrosselten Querschnittsbereich, der zweckmäßigerweise
kleiner als die Breite der Entlastungsnuten bemessen ist. Die Zuführungsbohrungen
verlaufen dabei parallel zur Drehachse der Maschine und beginnen unmittelbar in
den im Steuerspiegelkörper vorgesehenen Bohrungen zur Aufnahme der Drucküberleitungsbüchsen.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnungen
näher erläutert.
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Es zeigen: die Figur 1 eine Ansicht auf die Steuerfläche des Steuerspiegelkörpers;
die Figur 2 eine Ansicht auf die Rückseite des Steuerspiegelkörpers; die Figur 3
einen Schnitt durch den Steuerspiegelkörper gemäß Linie III-III der Figur 2 und
die Figur 4 einen weiteren Schnitt durch den Steuerspiegelkörper gemäß der Linie
IV-IV der Figur 2.
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Der Steuerspiegel 1 besitzt die im inneren Umfangsbereich liegenden
nierenförmigen Steuernuten 2, von denen jeweils die eine mit der Hochdruckleitung
und die andere mit der Niederdruckleitung verbunden ist. Wie insbesondere aus Figur
3 zu erkennen ist, sind die Steuernuten im Inneren des Steuerspiegelkörpers 3 bei
4 und 5 abgestuft, um für <Jie Druckflüssigkeit in den verschiedenen Längenabschnitten
der Steuernuten in Abhangigkeit von der Stellung der Arbeitskolben in der Zylindertrommel
günstige Durchflußmöglichkeiten zu schaffen. Die Abstufung 4
wird
dabei von einer Einfräsung gebildet, während die Abstufung 5 durch die Bohrung 6
für die Aufnahme der Drucküberleitungsbuch sen erzielt wird. Selbstverständlich
kann der durch die Abstufungen ausgebildete Bereich der Steuernuten auch durch eine
gleichmäßige und kontinuierliche Erweiterung bzw. Verengung bei stufenlosen Übergängen
ausgebildet sein.
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Die Steuernuten 2 werden von einer kreisförmigen und in sich geschlossenen
Nute 7 umgeben. Diese Nute besitzt eine nur begrenzte Tiefe und ist über Bohrungen
8 (s. Fig. 1) mit der Atmosphäre oder mit einer Druckquelle verbunden, die einen
bestimmten niedrigen Druck aufweist. Die Nute 7 begrenzt einerseits den Arbeitsbereich
der Steuernuten und andererseits denjenigen der Entlastungsnuten 9e Diese Entlastungsnuten
besitzen ebenfalls nur eine begrenzte Tiefe und sind über Zuführungsbohrungen 10
an die Druckleitungen angeschlossen. Im Bereich vor der Einmündung in die Entlastungsnuten
sind die Zuführungsbohrungen verengt ausgebildet und besitzen somit Drosselwirkung,
jedoch mit einem genau vorherbestimmten Querschnitt 11.
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Die Entlastungsnuten 9 erstrecken sich nur über einen Teil des Umfanges
des Steuerspiegels, wobei der Abstand ihrer Endabschnitte in den Totpunktbereichen
16 etwa dem Abstand der Endabschnitte der Steuernuten 2 in den Totpunktbereichen
17 entspricht.
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Eine weitere kreisförmige und in sich geschlossene Nute 12 begrenzt
die Entlastungsnuten gegenüber der Peripherie des Steuerspiegels. Auch diese Nute
ist über Bohrungen 13 an die Atmosphäre oder an eine Druckquelle mit einem bestimmten
niedrigen Druck angeschlossen und bestimmt zusammen mit der Nute 7 den Arbeitsbereich
der Entlastungsnuten 9. Der Abstand der Entlastungsnuten zu beiden Nuten definierten
niedrigen Druckes ist auf ihrer gesamten Länge gleich und entspricht jeweils etwa
der Breite einer Entlastungsnute. Die Totpunktbereiche 16 zwischen den Endabschnitten
der Entlastungsnuten haben eine solche Bemessung, daß der radiale Abstand der Nute
7 von der Nute 12 etwa dem Abstand der Endabschnitte der Entlastungsnuten entspricht.
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Wie noch aus den Figuren 2 und 4 zu entnehmen ist, sind in einer Versetzung
von 900 zu den Bohrungen 6 für die Aufnahme der Drucküberleitungsbuchsen auf dem
Umfangsbereich weitere Bohrungen 14 vorgesehen. Diese Bohrungen nehmen die Ausgleichskolben
für die Anpressung des Steuerspiegelkörpers 3 an die Zylindertrommel auf.
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Sie sind über die Kanäle 15 mit den Endabschnitten der Steuernuten
2 verbunden. Die Bemessung der Bohrungen 6 und 14 ist dabei derart getroffen worden,
daß neben den wirksamen Flächen der Drucküberleitungsbuchsen und der Anpreßkolben
ein Restmoment bestimmter Größe aufgebracht wird, das eine geringfügige Schrägstellung
des Steuerspiegelkörpers und damit des Steuerspiegels zur Zylindertrommel bewirkt.
Hierdurch wird an der Peripherie des Steuerspiegels ein hydrodynamisches Lager zur
Stabilisierung aufgebaut, welches wesentlich zur Punktionstüchtigkeit der Maschine
beiträgt.