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Einrichtung zur Geräuschminderung bei einer als Pump oder Motor verwendbaren
schlitzgesteuerten, hydrostatischen Kolbenmaschine Die Erfindung betrifft eine Einrichtung
zur Geräuschminderung bei einer als Pumpe oder Motor verwendbaren schlitzgesteuerten,
hydrostatischen Kolbenmaschine mit axial oder radial zur Wellenachse angeordneten
Kolben.
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Es sind Radial- und Axialkolbenmaschinen bekannt, die infolge der
unstetigen Arbeitsweise ihre Bauteile zu starken Schwingungen anregen, die Ursache
für eine starke Geräuschentwicklung sind, Bei diesen bekannten Radial- und Axialkolbenmaschinen
befinden sich zwischen der Niederdrucksteueröffnung und der Hochdrucksteueröffnung
des Steuerspiegels bzw. Steuerzapfens Überdeckungsstege, bei deren Überschreiten
durch die Zylinderöffnungen der Zylinderraum von der Rochdruckseite und der Niederdruckseite
getrennt wird. Bei positiver Uberdeckung führt der Kolben je nach Lage des Überdeckungsbereiches
einen Kompressions- bzw. Expansionshub bei abgeschlossenem Zylinderraum durch. Dabei
kann die Überdeckung nur so ausgelegt werden, daß die Kompressionslinie bzw. Expansionslinie
den Boch bzw. Niederdruck nur bei einem bestimmten Betriebszustand erreicht, d.h.
der Übergang von einem Druckbereich in den anderen sitzen- und sprungfrei erfolg§.
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Um Druckspitzen während der Umsteuerung bei allen Betriebszuständen
zu vermeiden, ist es bekannt, im Überdeckungssteg Druckventile anzuordnen, die ein
Abströmen von Fördermedium aus dem Zylinderraum gestatten wenn der Druck im Zylinderraum
den Betriebsdruck übersteigt.
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Weiter ist bekannt, in den Überdeckungsstegen Rohrungen anzubringen
und diese über eine druckabhängig gesteuerte Drossel zu verbinden.
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Durch diese Maßnahmen werden zwar Druckspitzen vermieden, wodurch
schon eine geringe aber keine entscheidende Geräuschminderung erreicht wird. Die
Drucksprünge bzw. Unstetigkeiten in der Bauteilbelastung werden dadurch nicht beseitigt.
Es ist auch bekannt, durch Anordnen von Kerben, die mit der Hochdruck- bzw. Niederdrucksteueröffnung
des Steuerspiegels oder Mittelzapfens verbunden sind, einen flacheren Druckübergang
von einem zum anderen Druckbereich zu erreichen. Der Überdruckungsbereich, in dem
diese Kerben wirken, ist entweder zu kurz, um eine durchgreifende Geräuschminderung
zu erreichen, oder aber bei genügender Länge mit zu hohen Leistungsverlusten verbunden.
Zweck der Erfindung ist es, bei minimalen Leitungsverlusten einen Übergang vom Hoch-
zum Niederdruck und umgekehrt innerhalb der Überdeckungsbereiche zu schaffen, der
linear über einen möglichst großen Drehwinkelbereich verläuft.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei hydrostatischen Kolbenpumpen
und -motoren eine maximale Geräuschminderung bei vertretbaren Leistungsverlusten
zu erreichen, indem durch geeignete Ausbildung des Überdeckungssteges die zyklische
Belastung der Pumpen bzw. Motorteile optimal für alle Betriebszustände gemindert
wird.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst daß bei Kolbenpumpen
bzw. -motoren eine zyklische Belastung der Bauteile ausgeschlossen wird, wenn der
Druckverlauf in beiden Umsteuerbereichen sich linear innerhalb einer Kolbenteilung
zwischen Hochdruck und Niederdruck ändert und beide Umsteuerbereiche
sich
symmetrisch gegenüberliegen und symmetrisch zur Totpunktasche liegen. Dieser gewünschte
Druckverlauf während der Umsteuerung wird erfindungsgemäß mit Hilfe von Drosselkerben
erreicht, die so angeordnet werden, daß der Umsteuerbereich symmetrisch zur Kolbentotlage
liegt und diese Kerben bei der Bewegung des Kolbens zum Totpunkt bzw.
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vorn Totpunkt eine Verbindung des entsprechenden Sylinderraumes zur
angesteuerten Steueröffnung des Steuerspiegels oder Mittelzapfens bzw. eine Verbindung
zur ausgesteuerten Steueröffnung des Steuerspiegels oder Mittelzapfens über vor-
oder nachlaufende Zylinderöffnungen gestatten. Damit wird die Anwendung eines großen
Überdeckungswinkels bei geringen Kolbenwegen möglich.
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Theoretisch ist die größte Geräuschminderung zu erreichen, wenn der
Überdeckungswinkel eine Kolbenteilung beträgt.
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Praktisch wurde ein Optimum zwischen Geräuschminderung und Wirkungsgrad
gefunden, bei einem Überdeckungswinkel von einer halben Kolbenteilung.
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Nachfolgend wird der Erfindungsgegenstand an einer Axialkolbenpumpe
näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt den Axialschnitt einer Axialkolbenpumpe Fig. 2 zeigt
die erfindungsgemäße Ausbildung des Steuerspiegels der Axialkolbenpumpe entlang
Schnitt 1 - I der Fig. 1 Ein auf einer Welle 7 befestigter Zylinderkörper 1 nimmt
die Kolben 3 auf, die sich über Gleitschuhe 4 auf dem Schwenkkörper 5 abstützen.
Bei der Rotation des Zylinderkörpers 1 ftihren die Kolben 3 eine oszillierende Bewegung
gegenüber dem Zylinderkörper 1 durch. Der Zylinderkörper 1 stützt sich auf dem in
Pi. 2 dargestellten Steuerspiegel 6 des Steuerkopfes 2 ab. Synchron zur Kolbenbewegung
werden
die Zylinderöffnungen entsprechend mit der Drucksteueröffnung
8 bo Saugsteueröffnung 9 des Steuerspiegels 6 verbunden. Zwischen beiden Steueröffnungen
8 und 9 findet der Druckübergang von Nieder- zum Hochdruck bzw. umgekehrt statt.
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Dieser Druckübergang erfolgt erfindungsgemäß linear im Drehwinkelbereich
einer Kolbenteilung. Zu diesem Zweck werden im Umsteuersteg die Drosselkerben 10,
11, 12, 13 angeordnet. Über diese Drosselkerben 109 11, 12, 13 bestehen wechselseitige
Verbindungen zwischen dem den Steg überfahrenden Zylinder und Saug- bzw. Drucksteueröffnung
9 bzw. 8.
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Aus dem Gleichgewicht der Volumenändereungen im Zylinder während der
Überdeckung (vom Kolben verdrängtes Volumen, Volumenänderung infolge Kompression,
durch Drosselkerben 10, 11, 12, 13 fließendes Fördermedium, über Dichtstege fließendes
Fördermedium) wird der Querschnitt und die Länge der Drosselkerben 10, 11, 12, 13
so bestimmt, daß der gewünschte Druckverlauf eintritt.
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Im Bereich des äußeren Kolbentotpunktes (ATP) findet der Übergang
des Druckes im Zylinder vom Nieder zum Hochdruck statt. Die Zylinderöffnung 14 bricht
die Verbindung zur Niederdrucksteuröffnung 9 des Steuerspiegels 6 ab. Jetzt ist
im entsprechenden Zylinderraum Niederdruck vorhanden.
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Gleichzeitig beginnt eine Verbindung dieser Zylinderöffnung 14 mit
der Drosselkerbe 11. Die Drosselkerbe 11 steht wiederum über die Zylinderöffnung
15, die mit der Drucksteueröffnung 8 des Steuerspiegels 6 in Verbindung kommt, mit
der Drucksteueröffnung 8 des Steuerspiegels 6 in Verbindung. Da der zur Zylinderöffnung
14 gehörige Kolben sich zum äußeren Totpunkt hin bewegt, führt er einen Saughub
durch0 Zum nötigen Anstieg des Druckes im Zylinder 14 fließt über die Drosselkerbe
11 und die vorlaufende Zylinderöffnung 15 Fördermedium aus der Hochdrucksteueröffnung
8
nach. Die Stellung des Zylinderkörpers 1 gegenüber- dem Steuerspiegel
6 entsprechend der Lage der Zylinderöffnungen 18, 19, 20 und damit die entsprechende
Begrenzung der Drosselkerben 10 und Ii ergibt sich aus dem o.g. Gleichgewicht der
Volumenänderungen im Zylinder. Dabei liegt die Zylinderöffnung 19 etwas nach dem
äußeren Totpunkt. Hier führt der Kolben dieses Zylinders bereits einen geringen-Druckhub
aus, der den erforderlichen Druckanstieg im zugehörigen Zylinder gewährleistet.
Der Zylinder 19 weist weder über Drosselkerbe Io und Zylinderöffnung 18 eine Verbindung
zur Saugseite, noch über Drosselkerbe 11 und Zylinderöffnung 20 eine Verbindung
zur Druckseite auf.
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Bei der weiteren-Drehung des Zylinderkörpers 1 erfolgt.
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im Zylinder 19 eine so starke Kompression, daß zum Erreichen des gewünschten
Druckverlaufes über die Dxosselkerbe 10 und die nachlaufende Zylinderöffnung 18
aus dem Zylinder 19 Fördermedium zur Saugsteueröffnung 9 abfließt.
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Dieser Vorgang ist beendet, wenn die Zylinderöffnung 19 die Lage der
Zylinderöffnung 15 erreicht hat Hier wird die Verbindung zur Drosselkerbe 10 unterbrochen
und zur Drucksteueröffnunf 8 des Steuerspiegeis 6 hergestellt, Im Zylinder ist der
Hochdruck p2 erreicht. Es erfolgt ein sprungsfreier Übergang zur Druckseite.
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Analoge Vorgänge finden im Bereich des inneren Totpunktes (IXP) statt.
Der Kolben des Zylinders 46 bewegt sich in Richtung inneren Totpunkt und führt demzufolge
einen Druckhub aus. Da bei weiterer Drehung den Zylinderkörpers 1 ein linearer Druckabfall
vorhanden sein soll, flieht aus dem Zylinder 16 über die Drosselkerbe 13 und die
vor laufende Zylinderöffnung 17 Fördermedium zur Saugsteueröffnung 9 ab.
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Dieser Vorgang ist abgeschlossen wenn der Zylinderkörper 1 die den
Zylinderöffnungen 21, 22, 23 entsprechende Stellung
erreicht hat.
Diese Stellung des Zylinderkörpers 1 und damit die entsprechende Begrenzung der
Drosselkerben 12 und 13 ergibt sich aus dem o.g. Gleichgewicht der Volumenänderungen
im Zylinder. Bei dieser Zylinderkörperstellung befindet sich die Zylinderöffnung
22 nicht genau in der Lage, die dem inneren Totpunkt des Kolbens entspricht. Bei
der weiteren Bewegung der Zylinderöffnung von der Lage 22 nach der Lage 17 führt
der entsprechende Kolben einen Saughub aus. Damit der Druck im zugehörigen Zylinder
nicht zu plätzlich auf den Niederdruck absinkt, fließt über die Drosselkerbe a2
und die nachlaufende Zylinderöffnung Fördermedium aus der Hochdrucksteueröffnung
8 des Steuerspiegels 6 in den Zylinder nach.
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Dieser Vorgang ist beendet, wenn der Zylinderkörper eine Stellung
gegenüber dem Steuerspiegel 6 entsprechend der Lage der Zylinderöffnungen 16 und
17 einnimmt.
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An der Stellung 17 der Zylinderöffnung ist im zugehörigen Zylinder
der Niederdruck p1 erreicht. Es erfolgt somit ein sprungfreier Übergang zur Niederdruckseite.
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Im Fall hinsichtlich einer maximalen Geräuschminderung entspricht
der Überdeckungswinkel @ dem Betrag einer Kolbenteilung.
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Da mit zunehmenden Überdeckungswinkel @ die Leitstungsverluste stark
ansteigen, wird der Überdeckungswinkel @ klein gehalten. In der Praxis ist ein entsprechendes
Verhältnis zwischen Geräuschminderung un? Wirkungsgrad zu finden. Die Querschnitte
der Drosselkerben 10 und 12 sind gegenüber denen der Kerben 11 und 13 sehr gering.
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Bei Überdeckungswinkel @, dei der halben Kolbenteilung entsprechen,
entfallen die Drosselkerben 10 und 12.
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Eine günstige Anpassung der Kompressions- bzw. Expansionslinie an
den Hochdruck p2 wird dadurch gewährleistet, daß der größte Teil des Verlaufes der
Kompressions- bzw.
Expansionslinie vom Hochdruck P2 abhängig Ist,
da im Bereich des äußeren Totpunktes über die Drosselkerbe 11 Hochdruck-Fördermedium
in den Zylinderraum einströt und im Bereich des inneren Totpunktes ausgehend vom
Hochdruck-Fördermedium über die Drosselkerbe 13 aus dem Zylinderraum zur Niederdruckseite
abströmt. Der Ausgangspunkt für den zweiten und kleineren Teil der Kompressions-
bzw Expansionslinie ist der Druck am Ende des ersten Teiles. Damit ist auch der
zweite Teil des Druckverlaufes während der Überdec3g indirekt abhängig vom Hochdruck
p2. Beide Teile der Kompressions- bzw. Expansionslinie wirken derart zusammen, daß
bei jedem Betriebsdruck ein optimaler Druckverlauf während der Umsteuerung möglich
ist.