DE2132941C3 - Steuervorrichtung für mit Druckmedien betriebene Pumpen, Motoren oder Schieber - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein in einem Steuergehäuse zwischen zwei im wesentlichen parallelen, feststehenden Gleitflächen rotierendes Steuerglied mit zwei entsprechenden, Räume verschiedenen Druckes gegeneinander abdichtenden Gegen-Gleitflächen für mit Druckmedien betriebene Pumpen, Motoren oder Schieber, mit mindestens einer gegenüber der Mittelachse des Steuergliedes außermittigen Steueröffnung in einer einer der feststehenden Gleitflächen gegenüberliegenden Fläche des Steuergliedes und mit im wesentlichen acbsparallel wirksamen Druckfeldern.

Es ist bekannt in Hydraulikmaschinen zentrisch laufende Steuerschieber. Axialsteuerungen oder Exzemersteuerungen einzusetzen. Diese geben jedoch nicht im erforderlichen Maße die Strömungsquerschnitte frei und bewirken einen relativ hohen Durchflußwiderstand. .

Es ist bekannt, durch Einengung der Fertigungstoleranzen oder Einsatz von Beilagscheiben die Dichtspalte minimal zu halten; durch Verschleiß und Temperaturunterschiede sind die ursprünglichen Werte jedoch einer nachteiligen Veränderung unterworfen. Es sind auch Drehschieber mit Kolbenringen bekannt (DT-OS 15 03 313). Solche Drehschieber dichten bei den Kolbenringen gut ab, lassen jedoch zwischen den Umsteuer- bzw. Entlastungsnieren einen beträchtlichen Leckölstrom durch und erzeugen ein relativ hohes Festbremsmoment - bedingt durch das Abdichtprinzip der Kolbenringe; zudem ist die Anzahl der Dichtstellen bei den Drehschieberkolbenringen ziemlich groß, wodurch sich ein erhöhter Leckölanfall ergibt; außerdem sind die Dichtstellen einer größeren Gefahr durch Matenalverschweißung (Fresser) ausgesetzt, zumal die an den Kolbenringen angreifenden Kräfte nicht hydraulisch ausgeglichen werden können.

Ferner ist bekannt, einen axial wirkenden, zentrisch laufenden Steuerschieber durch ein zentrisches Anpreßsystem abzudichten (DT-PS 12 43 519); dabei wird jedoch die drucklose Seite des Steuerschiebers funktionsbedingt mit hoher mechanischer Kraft angepreßt, wodurch also ein relativ hohes Festbremsmoment auftritt und entsprechend der hohen mechanischen Kraft gemäß K = ρ χ F hydrostatisch nutzbare Fläche verlorengeht.

Andere axial wirkende, zentrisch laufende Steuerschieber haben ausgeglichene Kräfte (DTPS 12 85 891). Die nicht ausgeglichenen hydraulischen Momente bewirken jedoch bei Verschleiß ein Kippen der Steuerung und gegebenenfalls Materialverschweißung (Fresser).

Es sind weiter Exzentersteuerungen bekannt, die man zum Zwecke eines Dichtspaltausgleiches teilen kann (DT-PS 1 41 873 und DT-OS 18 01 541). Solche Exzentersteuerungen haben jedoch den Nachteil eines relativ hohen Strömungswiderstandes, benötigen einen relativ großen Einbauraum und erzeugen deswegen ziemlich große Axialkräfte, haben einen komplizierten konstruktiven Aufbau und demzufolge eine gewisse Funktionsunsicherheit; außerdem treten große Dichtspaltlängen auf.

Es sind des weiteren stationäre Axialsteuerungen mit axial gegenüber den Steueröffnungen liegenden Druckstücken bekannt, die kleine Druckfelder bilden (DT-PS 8 29 553 und DT-AS 16 53 565); solche Steuerungen nutzen jedoch nur einen sehr geringen Teil der durch den Außendurchmesser des Steuergliedes begrenzten Fläche als Druckfläche und haben somit einen großen Strömungswiderstand; auch können sie nicht rotationsfähig gemacht werden, da dann stationäre Anschlüsse für das Druckmedium nicht vorgesehen werden können.

Es sind schließlich stationäre Axialsteuerungen, mil axial gegenüber der einen Steuerniere liegenden außermittigem Druckfeld bekannt (DT-PS 9 68 539) solche Steuerungen sind jedoch bei völliger Entlastung

ι« Zylinderblockes, entweder kräftemäßig oder mo- *\_ntenmäßig nicht völlig entlastbar, da die wirksame, tfeueröffnungsseitige Räche ausschließlich nach der r öße der relativ kleinen Kolbenfläche konstruktiv usziriegen ist und somit eine relativ kleine Vergleichsnmrchströmfiäche zur Verfügung steht. Daraus ergibt •Λ ferner daß die Gesamtschwerp. yikte der kolbenringen Flächen einen größeren Abstand von der Drehachse haben als die wirksamen Druckflächen des Steuergliedes; das auftretende Kippmoment muß üurch entsprechend große mechanische Stützkräfte aufgefangen werden, die auf hydrostatische Weise aufgefangen JL _ ρ _x F) zu einer Flächenvergrößerung und damit leringerem Strömungswiderstand führen würde; das «her wäre gemäb der DT-PS 9 68 539 nur möglich, wenn die von der Kolbenseite stammenden Kräfte erheblich überschritten würden, was zu einer zusätzlichen mechanischen Belastung des Axiallagers führen würde, so daß keine Entlastung vorliegt, somit auch kein geringstmöglicher Strömungswiderstand.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Steuervorrichtung mit einem Steuerglied der eingangs erwähnten Art zu schaffen, deren Durchflußwiderstand möglichst gering ist. Dabei soll erreicht werden, daß die Steuervorrichtung auch nach langer Betnebszeit mit möglichst engen Dichtspalten arbeitet, um die Leckverluste möglichst niedrig zu halten. Weiterhin sollen minimale Reibmomente auftreten, um hohe Anfahrwirkungsgrade zu gewährleisten und die Wärmeentwicklung einzuschränken. Das Steuerglied der eingangs erwähnten Art soll bei vorgegebener Baugröße bzw. vorgegebenem Einbauvolumen einen möglichst geringen Strömungswiderstand besitzen.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst daß gegenüber der Steueröffnung in der der Steueröffnung gegenüberliegenden Gleitfläche des Steuergliedes mindestens ein die Mittelachse des Steuergliedes einschließendes Druckfeld außermittig gegenüber der Mittelachse des Steuergliedes angeordnet ist, wobei der Gesamtschwerpunkt der wirksamen Druckfläche der Steueröffnung mit dem Gesamtschwerpunkt dieses Druckfeldes im wesentlichen dekkungsgleich rotiert. Dabei ist gegenüber der anderen Steueröffnung, in der der Steueröffnung axial gegenüberliegenden Gleitfläche des Steuerglieies ein weiteres Druckfeld angeordnet, welches aus der großen Kreisfläche abzüglich der die Mittelachse des Steuereliedes einschließenden Druckfeldfläche gebildet wird (z B Sichelfläche), wobei der Gesamtschwerpunkt der wirksamen Druckfläche der zweiten Steueröffnung mit dem Gesamtschwerpunkt der zweiten Druckfeldfläche im wesentlichen deckungsgleich rotiert. Dabei haben die jeweils axial und im wesentlichen deckungsgleich gegenüberliegenden Druckfelder die auch in zusammenzufassende Teilfelder aufgeteilt sein können, im wesentlichen gleiche Größe und sind somit größtmöglich. Die Druckfelder werden hierdurch flächenmäßig maximal ausgenutzt. Demzufolge werden große Querschnitte mit geringen Durchflußwiderständen an und in dem Steuerglied frei.

In weiterer Ausbildung der Erfindung wird ferner vorgeschlagen, daß das Steuerglied aus einer Steuerscheibe und einer Ausgleichsscheibe besteht und der dem Spaltausgleich dienende Teil der Ausgleichsscheibe außermittig gegenüber der Mittelachse der Steuerscheibe sitzt. Bei dieser Ausführungsform rotiert der k der wirksamen Druckfläche der Steueröffnung mit den jeweiligen Gesamtschwerpunkten der Druckfelder auf die Steuerscheibe und auf die Ausgleichsscheibe im wesentlichen deckungsgleich.

Dabei strömt das Druckmedium axial in die öffnung der Ausgleichsscheibe und wird durch einen Verbindungskanal in die der Ausgleichsscheibe zugehörige Steuerniere und von dort in die Zylinderkanäle geleitet. Dabei wird die Steuerscheibe so an die Steuerfläche gepreßt, daß die ausgleichsscheibenseitig an der Steuerscheibe angreifende Kraft etwas größer ist als die von der Druckniere der Steuerscheibe herrührende Kraft und beide Kraftwirkungslinien im wesentlichen deckungsgleich zusammenfallen. Sie rotieren also auch im wesentlichen deckungsgleich miteinander und auch mit den Gesamtschwerpunkten der auf die Ausgleichsscheibe wirkenden Druckfelder.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zwischen Steuerscheibe und Ausgleichsscheibe ein axial verschiebbarer Druckring angeordnet. Dieser Druckring sorgt bei wechselseiliger Druckbeaufschlagung für zusätzliches Anpressen der Gleitpartner. Dieser Druckring kann in weiterer Ausbildung der Erfindung auch durch eine elastische Dichtung ersetzt werden. Verzichtet man auf ein zusätzliches Anpresser, können Steuerscheibe und Ausgleichsscheibe auch direkt gegeneinander abgedichtet werden.

Nach einem den Gegenstand der Erfindung weiter ausbildenden Gedanken ist die axial verschiebbare Ausgleichsscheibe verdrehsicher gegenüber der Steuerscheibe angebracht. Dies geschieht, um die Dichtungen zwischen Steuerscheibe und Ausgleichsscheibe zu statischen Dichtungen zu machen. Die Verdrehsicherung kann beispielsweise durch einen Stift oder Zentrierung an einem Bund, dessen Mittenlinie von der Mittenlinie der Ausgleichsscheibenöffnung abweicht, erfolgen. Weiterhin ist es beispielsweise möglich, die Ausgleichsscheibe mittels eines Zapfens festzuhalten, welcher aus der Steuerscheibe herausragt.

Merkmale der weiteren Ausbildung der Erfindung sind aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung mit der Zeichnung entnehmbar.

Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 den steuerseitigen Teil eines Hydromotors mit schematisch eingezeichneter Steuervorrichtung,

F i g. 2 eine dichtspaltkompensierte Steuervorrichtung in zusammengebautem Zustand, und zwar gemäß

F i g. 2a eine Ansicht von rechts auf den Längsschnitt gemäß F i g. 2b,

F i g. 2b einen Längsschnitt,

F i g. 2c eine Ansicht von links auf den Längsschnitt gemäß F i g. 2b,

F i g. 3 eine andere dichtspaltkompensierte Steuervorrichtung mit als Druckring wirkendem Dichtring und Festhaltestift, und zwar

Fig.3a einen Längsschnitt entlang Schnittebent A-Bin Fig. 3c,

F i g. 3b einen Längsschnitt entlang Ebene A-A ge maß F i g. 3c,

F i g. 3c eine Draufsicht analog F i g. 2c,

F i g. 4a eine weitere dichtspaltkompensierte Steuer vorrichtung, und zwar eine Ausführung ohne Druck ring, jedoch mit Festhaltestift,

F i g. 4b eine dichlspaltekompensierte Steuervorrich tung, nämlich eine Ausführung mit beidseitig axiale Zu- und Abführung des Druckmediums.

F i g. 1 zeigt den steuerseitigen Teil eines Hydromc

tors bekannter Ausführung, ζ. B. in Radialkolbenbauweise mit Steuervorrichtung 17.

Das Druckmedium tritt beispielsweise durch den Einlaß 1 in den Hydromotor, gelangt über den Umlenkkanal 2 und den Verbindungskanal 18 der Steuervorrichtung 17 in deren Steuerniere 19, wo es in den Zylinderkanal 3 gesteuert wird. Nachdem das Druckmedium seine Energie über Kolben od. ä. an die Kurbelwelle 16 abgegeben hat, strömt es durch den Zylinderkanal 3a zurück zur Steuervorrichtung 17, und zwar zunächst in deren Steuerniere 19a, dann durch eine Ausdrehung 4 oder Bohrungen in den Ringkanal 20 und in den Auslaß 5 des Hydromotors. Der Durchfluß kann selbstverständlich auch in umgekehrter Richtung erfolgen.

Die F i g. 2a bis 2c zeigen eine dichtspaltkompensierte Steuervorrichtung. In die Steuerscheibe 7 ist eine Buchse 10 mit Innenvierkant verdrehfest eingesetzt, in den die Kurbelwelle greift. Die Kurbelwelle und die Steuerscheibe 7 laufen somit mit gleicher Drehzahl. Auf dem Exzenter 21 der Steuerscheibe 7 sitzt ein Druckring 9, der gegenüber der Steuerscheibe 7 mittels Dichtung 13 abgedichtet ist und axial verschoben werden kann. Auf dem Druckring 9 zentriert sich die Ausgleichsscheibe 8, welche gegenüber Druckring 9 und damit gegenüber Steuerscheibe 7 axial verschiebbar ist. Ausgleichscheibe 8 und Druckring 9 sind mittels einer Dichtung 12 gegeneinander abgedichtet. Die Steuerscheibe 7 und die Ausgleichscheibe 8 stehen unter der Wirkung einer oder mehrerer Druckfedern 11. Eine Sicherung gegen Verdrehen der Ausgleichscheibe 8 erfolgt durch Zentrieren am Bund 15 der Steuerscheibe.

Die Wirkungsweise der Steuervorrichtung ist folgende: Im drucklosen Zustand des Arbeitsmediums werden Steuerscheibe 7 und Ausgleichscheibe 8 durch die Feder 11 dichtend auseinandergepreßt. Somit besteht praktisch keine Verbindung zwischen Einlaß 1, Auslaß 5 und Kurbelraum 22 (F i g. 1), da sich die Gleitfläche 14 der Steuerscheibe an die Steuerfläche 23 des Hydromotors und die Gleitfläche 14a an den Abschlußdeckel 24 anlegt. Wird Einlaß 1 mit Drucköl beaufschlagt, so werden Steuerscheibe 7 und Ausgleichscheibe 8 zusätzlich durch hydrostatischen Druck auseinandergepreßt, wodurch sich die Dichtwirkung verstärkt. Mittels Druckrings 9 wird die Dichtwirkung weiter verstärkt.

Wird Auslaß 5 mit Drucköl beaufschlagt, so tritt die gleiche Wirkung ein. Während bei Druckbeaufschlagung von Einlaß 1 die Ausgleichscheibe 8 einem Gleitschuh vergleichbar ist, kann man sie bei Druckbeauf-' schlagung von Auslaß 5 mit einem inversen, d. h. von außen beaufschlagten Gleitschuh vergleichen.

Die Steuervorrichtung kann nun so ausgelegt werden, daß die ausgleichsscheibenseitig an der Steuerscheibe 7 angreifenden Kräfte zwecks sicherer Abdich tung geringfügig größer als die von der jeweiligen Steuerniere 19 bzw. 19a herrührenden Kräfte sind: gleiches gilt entsprechend für Ausgleichscheibe 8. Damit stützen sich hauptsächlich zwei Druckölsäulen gegeneinander ab. und lediglich die zur Abdichtung erforderlichen Restkräfte erzeugen Reibung.

Die Fig.3 zeigt eine Modifikation der Steuervorrichtung nach F i g. 2, und zwar ist der Bund zum Festhalten der Ausgleichscheibe 8 durch einen Stift 15a (F i g. 3b) bzw. zwei Druckstifte 156 (F i g. 3a) ersetzt: die drehfest in Steuerscheibe 7 eingesetzte Buchse 10 mit Innenvierkant ist ersetzt durch eine in die Steuer- scheibe direkt eingebrachte Paßfedernut 10a; die Ausdrehung 4 in der Steuerscheibe 7 ist ersetzt durch ra diale Bohrungen 4a; der in F i g. 2 in Form von Bohrungen ausgebildete Verbindungskanal 18 ist ersetzt durch eine nierenförmige Ausfräsung 18a, in der die Strömungsgeschwindigkeit des Druckmediums weitgehend konstant über den gesamten Querschnitt ist; der Druckring 9 in Verbindung mit den Dichtungen 12 und 13 ist ersetzt durch eine gleichzeitig als Druckring und Dichtung wirkende Dichtung 9a. Der Stift 15a (F i g. 3b) kann durch zwei Druckstifte 156 ersetzt werden, die in den Umsteuerpunkten für geringfügig bessere Entla stung der Steuerscheibe sorgen, durch Federn an den Abschlußdeckel gerückt werden und an ihrer Gleitfläche hydrostatisch entlastet sind. Mit 25 ist eine am Druckstift abgreifende Feder, mit 26 ein Dichtring bezeichnet. Die Druckstifte 15a können auch schwebend zwischen Steuerscheibe und Druckscheibe angeordnet werden, wobei sie zweckmäßigerweise je zwei Dichtungen (O-Ringe) erhalten.

F i g. 4a zeigt eine weitere Modifikation der Steuervorrichtung nach F i g. 2, wobei die Steuervorrichtung und insbesondere Ausgleichscheibe 8 bis an die Grenze des Gleic'igewichts entlastet sind. Dieses wird ermöglicht durch eine oder mehrere in Steuerscheibe 7 bzw. in Ausgleichscheibe 8 eingebrachte Dichtungen 13a.

Fig.4b zeigt eine Modifikation der Ausführungsform nach F i g. 4a, wobei das Druckmedium axial zu- und abgeführt wird. Die Ausgleichscheibe 8 erhält in diesem Fall eine zweite Dichtfläche 146. Mit 6 ist ein Dichtring zwischen Ausgleichscheibe und Steuerscheibe bezeichnet.

Die Steuervorrichtung unterliegt selbstverständlich weiteren Modifikationsmöglichkeiten, insbesondere im Hinblick auf den gewünschten Grad der Entlastung, strömungstechnisch optimale Ausbildung, kostengünstigere Fertigung, Wahl des Druckmediums und Temperaturbereich. Beispielsweise können auch statt einfacher O-Ringe solche mit Stützringen oder metallischen Dichtungen eingesetzt werden.

Die Begrenzung des auf der Steuer- bzw. Ausgleichscheibe befindlichen Exzenters hat beliebige Form; sie kann z. B. trochoidenförmig sein, um noch geringere Strömungswiderstände zu erzielen und eine besondere Sicherung gegen Verdrehen zu ersparen.

Die Steuerscheibe hat beliebige Form. Beispielsweise kann ihre exzenterseitige Steuerniere 19 (F i g. 2) so ausgebildet sein, daß deren Kontur gleich oder ähnlich der Ausfräsung 18a (F i g. 3) ist. Ferner kann die Ausdrehung 4 über die gesamte Breite der Steuerscheibe und weiter als in F i g. 2 gezeichnet zur Mitte durchgezogen werden, so daß sie die Funktion der Steuerniere 19a übernimmt.

Die Ausgleichsscheibe hat beliebige Form; sie kann beispielsweise durch einen Bund, einen exzentrisch angeordneten Stift oder durch einen aus der Steuerscheibe mittig herausragenden Zapfen gegen Verdrehen gesichert werden.

Der Strömungsweg des Druckmediums ist beliebig. Er kann beispielsweise einmal durch die Steuervorrichtung und einmal außen um die Steuervorrichtung herumführen. Er kann aber auch beide Male durch die Steuervorrichtung führen (Fig.4b), wobei außerdem einer der beiden Strömungswege radial nach außen geöffnet sein kann.

Es versteht sich, daß ζ. B. für Regelungszwecke an die Steuervorrichtung heran oder durch die Steuervorrichtung hindurch axial eine Drehdurchführung geleitet werden kann, die beispielsweise mittels Gleitringdichtung oder O Ringen abgedichtet werden kann.

Das entgegengesetzt einer Steuerniere liegende ex-

zentrisch angeordnete Druckfeld hat beliebige Form. Es kann auch in mehrere kleine Druckfelder aufgeteilt sein, die intern verbunden in ihrem Gesamtschwerpunkt exzentrisch angeordnet sind. Selbstverständlich kann die Steuervorrichtung unabhängig von der Kurbelwelle gelagert werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. In einem Steuergehäuse zwischen zwei im wesentlichen parallelen, feststehenden Gleitflächen rotierendes Steuerglied mit zwei entsprechenden, Räume verschiedenen Druckes gegeneinander abdichtenden Gegen-Gleitflächen für mit Druckmedien betriebene Pumpen, Motoren oder Schieber, mit mindestens einer gegenüber der Mittelachse des Steuergliedes außermittigen Steueröffnung in einer einer der feststehenden Gleitflächen gegenüberliegenden Fläche des Steuergliedes und mit im wesentlichen achsparallel wirksamen Druckfeldern, dadurch gekennzeichnet, daß gegenüber der Steueröffnung in der der Steueröffnung gegenüberliegenden Gleitfläche des Steuergliedes mindestens ein die Mittelachse des Steuergliedes einschließendes Druckfeld außermittig gegenüber der Mittelachse des Steuergliedes angeordnet ist. wobei der Gesamtschwerpunkt der wirksamen Druckfläche der Steueröffnung mit dem Gesamtschwerpunkt dieses Druckfeldes im wesentlichen dekkungsgleich rotiert.

2. Steuerglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einer Steuerscheibe (7) und einer Ausgleichscheibe (8) besteht und der dem Spaltausgleich dienende Teil der Ausgleichscheibe

(8) außermittig gegenüber der Mittelachse der Steuerscheibe (7) sitzt.

3. Steuerglied nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Steuerscheibe (7) und Ausgleichscheibe (8) ein axial verschiebbarer Druckring

(9) angeordnet ist.

4. Steuerglied nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Steuerscheibe und Ausgleichscheibe eine Axialkraft erzeugende Dichtung (9a) angeordnet ist.

5. Steuerglied nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die axial verschiebbare Ausgleichscheibe (8) verdrehsicher gegenüber der Steuerscheibe (7) angeordnet ist.

6. Steuerglied nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Steuerniere in radialer Richtung von der Drehachse unterschiedlich breit ist.

7. Steuerglied nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerniere radial nach außen geöffnet ist.

8. Steuerglied nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung eine eigene Lagerung hat.

9. Steuerglied nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in Drehrichtung zwischen den Scharnieren je ein Druckstift (156) angeordnet ist.