DE2448311B2

DE2448311B2 - Regelbare hydraulische Ventilsteuerung für Hubkolbenkraft- oder Arbeitsmaschinen

Info

Publication number: DE2448311B2
Application number: DE2448311A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. 8500 Nuernberg Fuhrmann
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1974-10-10
Filing date: 1974-10-10
Publication date: 1978-03-23
Also published as: HU172265B; FR2287583A1; DE2448311A1; FR2287583B3; DD121358A1; RO73192B; RO73192A; JPS5220622B2; JPS5164122A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine regelbare hydraulische Ventilsteuerung für Hubkolbenkraft- oder Arbeitsmaschinen, die aus einem von einem Nocken betätigbaren, mit Steuerkanten eines die Ventilöffnuiigszeit bestimmenden Steuerkantenpaares versehenen, in den Innenraum eines Antriebszylinders hineinragenden Antriebs-Hubkolben, einem das Ventil unmittelbar betätigenden, mit einer Steuerkante zum Festlegen eines durch Aufsteuern einer Entlastungsleitung bestimmten Ventilhubes versehenen, in einem Arbeitszylinder geführten Arbeits-Hubkolben, einer die beiden Zylinder miteinander verbindenden Vor- und Rücklaufleitung für die Steuerflüssigkeit und einem mit beiden Zylindern verbindbaren Vorratsbehälter besteht, wobei zum Verändern der Ventilöffnungszeit der Antriebs-Hubkolben von einer außerhalb des Antriebszylinders angeordneten, in Abhängigkeit von einer Betriebsgröße verstellbaren Buchse umgeben ist.

Eine derartige Ventilsteuerung wurde bereits durch die US-PS 26 02 434 bekannt. Bei ihr ist der Antriebs-Hubkolben axial verschiebbar, jedoch nicht verdrehbar in der verstellbaren Buchse gelagert, während die

ίο Buchse selbst im verlängerten Antriebszylindergehäuse unverschiebbar aber verdrehbar angeordnet ist. Die obere Stirnfläche des Antriebs-Hubkolbens ist als Steuerkante schräg ausgebildet, so daß durch sie die Verbindung zum Vorratsbehälter früher oder später abgeschlossen und damit die Ventilöffnungszeit verändert wird, wenn der Antriebs-Hubkolben zusammen mit der Buchse eine Teildrehung erfährt. Es ist also lediglich eine Veränderung der Ventilöffnungszeit selbst möglich. Außerdem weist die bekannte Steuerung den Nachteil auf, daß sie, sobald die beiden Kolben bzw. deren Hub nicht genau aufeinander abgestimmt sind, ungenau arbeitet, weil der Antriebs-Hubkolben sich beim Abwärtshub nur so lange bewegen kann, so lange er Steuerflüssigkeit aus dem Arbeitszylinder zurücksaugen kann. Ist die Verbindung zum Vorratsbehälter noch nicht offen, bleibt der Antriebs-Hubkolben hängen.

Ferner ist durch die DE-PS 10 04 626 noch eine Öldrucksteuerung für Kolbenmaschinen bekannt, deren Ein- und Audaßorgane durch Kolben bewegt werden, wobei die Kolben von verdrehbaren Steuerbuchsen umgeben sind, die Steuerkanten zum Verstellen des Voraustrittes der Füllung aufweisen. Ansonsten hat diese Anordnung jedoch nichts mit der vorliegenden Erfindung zu tun.

Hier setzt die Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde liegt, eine regelbare hydraulische Ventilsteuerung der eingangs beschriebenen Art dahingehend zu verbessern, daß der Öffnungszeitpunkt eines Ventils bei konstantem Schließzeitpunkt und der Schließzeitpunkt

bei konstantem Öffnungszeitpunkt abhängig von bestimmten Parametern mit einfachen Mitteln verlustarm veränderbar ist.

Nach der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in der axial verschiebbaren Buchse und im Antriebs-Hubkolben das Steuerkantenpaar bildende, aneinander vorbeigleitende Ringnuten von unterschiedlicher axialer Abmessung vorgesehen sind, die Ringnut des Antriebs-Hubkolbens durch eine Querbohrung und eine in diese einmündende Längsbohrung mit dem Antriebszylinder verbunden ist und daß durch Verschieben der Buchse zum Verändern des Ventilöffnungszeitpunktes der Antriebszylinder über die Ringnut in unterschiedlichen Öffnungshubphasen des Antriebs-Hubkolbens mit dem Vorratsbehälter bzw. zum Verändern des Ventilschließzeitpunktes der Antriebszylinder über die Ringnut der Buchse in unterschiedlichen Schließhubphasen des Antriebs-Hubkolbens mit deir.

Arbeitszylinder verbindbar ist.

In diesem Zusammenhang wird noch auf die DE-PS 9 07 841 hingewiesen, durch die bereits ein Druckflüssigkeitsantrieb für Ventile von Brennkraftmaschinen bekannt wurde, bei dem der Kolben zugleich als Antriebs- und Arbeitshubkolben ausgebildet ist, der eine Ringnut aufweist, die durch eine Querbohrung und eine

h5 in diese einmündende Längsbohrung mit dem Zylinder verbunden ist. Der übrige Aufbau und die Arbeitsweise hat jedoch nichts mit der vorliegenden Anordnung zu tun.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß in der Leitung zwischen dem Vorratsbehälter und dem Antriebszylinder in Richtung zum Vorratsbehälter hin absperrende Rückschlagventile zum selbsttätigen Nachsaugen von Steuerflüssigkeit vorgesehen sind. Schließlich erscheint es zweckmäßig, daß für mehrere an einer Hubkolbenmaschine angebrachte Ventilsteuerungen nur ein gemeinsamer Vorratsbehälter vorgesehen wird.

Mit der vorbeschriebenen Anordnung wird die gestellte Aufgabe voll gelöst. Die normalen Steuerzeiten eines Ventils werden durch einen auf der Nockenwelle angebrachten Nocken vorgegeben. Der Nocken treibt den Antriebs-Hubkoiben an, der seinerseits während des Klompressionshubes die Steuerflüssigkeit in den Arbeitszylinder schiebt, wodurch der Arbeits-Hubkolben auf das Ventil einwirkt und es entgegen der Kraft einer Feder in eine vorbestimmte Offenstellung bringt. Sobald diese erreicht ist, wird der Innenraum des Antriebszylinders über die Steuerkante mit dem Vorratsbehälter verbunden, so daß die vom Antriebszylinder zuviel geförderte Steuerflüssigkeit entweichen kann. Dadurch verbleibt das Ventil immer in gleicher Offenstellung.

Die gewünschte Verschiebung des Öffnungszeitpunktes oder des Schließzeitpunktes für ein Ventil wird durch die außerhalb am Antriebszylinder vorgesehene Buchse, welche die größere, als Steuerkante dienende Ringnut aufweist, erreicht.

Soll bei einem konstanten Schließzeitpunkt der Öffnungszeitpunkt eines Ventils verändert werden, so gibt das Steuerkantenpaar zu Beginn des Kompressionshubes des Antriebs-Hubkolbens der Verzögerungszeit entsprechend eine zum Vorratsbehälter führende Leitung frei, so daß sich im Arbeitszylinder kein Druck aufbauen kann. Ist die Verzögerungszeit erreicht, wird diese Leitung wieder abgesperrt und die Steuerflüssigkeit wie beschrieben in den Arbeitszylinder geschoben. Wird der Antriebs-Hubkoiben vom Nocken wieder freigegeben und kann seinen Expansionshub antreten, so wird zunächst die Steuerflüssigkeit aus dem Arbeitszylinder in den Antriebszylinder zurückgesaugt und der Arbeits-Hubkolben entlastet, daß Ventil schließt. Beim weiteren Expansionshub des Antriebs-Hubkolbens öffnet das erwähnte federbelastete Rückschlagventil und es wird aus dem Vorratsbehälter so viel Steuerflüssigkeit in das Steuersystem nachgesaugt, bis dieses wieder vollkommen gefüllt und für den nächsten Steuervorgang betriebsbereit ist.

Soll nun hingegen bei konstantem Öffnungszeitpunkt eines Ventils der Schließzeitpunkt verändert werden, so wird zu Beginn des Kompressionshubes des Antriebs-Hubkolbens der Arbeits-Hubkolben über die Steuerflüssigkeit beaufschlagt und das Ventil geöffnet. Während des Expansionshubes des Antriebs-Hubkolbens bleibt je nach Stellung der Buchse der Arbeits-Hubkolben zunächst voll beaufschlagt, das Ventil also offen. Der Antriebs-Hubkoiben saugt vielmehr über das federbelastete Rückschlagventil Steuerflüssigkeit aus dem Vorratsbehälter an. Sobald das Steuerkantenpaar des Antriebs-Hubkolbens wirksam wird, kann die Steuerflüssigkeit aus dem Arbeitszylinder in den Antriebszylinder zurückfließen, das Ventil schließt. Befindet sich die Buchse in einer solchen Lage, daß das Steuerkantenpaar des Antriebs-Hubkolbens praktisch unmittelbar zu Beginn des Expansionshubes wirksam wird, so wird der Arbeits-Hubkolben sofort entlastet und die fehlende Steuerflüssigkeit erst gegen Fnde des Expansionshubes nachgesaugt. In jedem Falle ist am Ende eines Kolbenspiels das gesamte System wieder mit Steuerflüssigkeit gefüllt.

So werden die Energieverluste auf ein Minimum herabgesetzt. Dies gilt insbesondere, weil die das Steutrkantenpaar bildende Buchse längsverschiebbar ausgebildet ist, da hierdurch außer einem geringen Herstellungsaufwand auch die durch mechanische Arbeit auftretenden Verluste äußerst gering gehalten

ίο werden.

Da durch die erfindungsgemäße Steuerung der das Ventil betätigende Arbeitszylinder dauernd über eine Steuerflüssigkeitssäule mit dem Antriebszylinder verbunden ist und von diesem somit geführt wird, ergibt sich noch der nicht unerhebliche Vorteil, daß unkontrollierte Aufsetzgeschwindigkeiten des Ventils in jedem Falle vermieden werden.

Den Gegenstand der Erfindung weiter ausbildende Einzelheiten können der nachfolgenden Beschreibung von zwei in der Zeichnung dargestellten Auslühiungsbeispielen entnommen werden. Es zeigt

F i g. 1 den schematischen Aufbau der erfindungsgcmäßen Ventilsteuerung, mit der der Öffnungszeitpunkt des Ventils verlegt werden kann,

Fig.2 die Kolbenbewegungen der Ventilsteuerung nach F i g. 1 in Form eines Diagrammes,

Fig. 3 den schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen Ventilsteuerung, mit der der Schließzeitpunkt des Ventils verlegt werden kann,

Fig. 4 die Kolbenbewegungen der Ventilsteuerung nach F i g. 3 ebenfalls in Form eines Diagrammes.

Die Ventilsteuerung in Fig. 1 besteht im wesentlichen aus einem Antriebs-Hubkolbenzylinder 1, einem Arbeits-Hubkolberi7y!inder 2, einem Vorratsbehälter 3 für die Steuerflüssigkeit und einem federbelasteten Rückschlagventil 4. Der Antriebs-Hubkolbenzylinder 1 setzt sich aus einem Antriebs-Hubkoiben 5 und einem Antriebszylinder 6, der Arbeits-Hubkolbenzylinder 2 aus einem Arbeits-Hubkolben 7 und einem Arbeitszylinder 8 zusammen. Der Antriebs-Hubkoiben 5 wird von einem auf einer Nockenwelle 9 befestigten Nocken 10 betätigt und weist eine mit einer Steuerkante 11 versehene Ringnut 12 auf, die über eine Längsbohrung 13 im Antriebs-Hubkoiben 5 mit dem Innenraum des Antriebszylinders 6 verbunden ist. Im Bereich der Ringnut 12 umgibt den Antriebskolben 5 eine ebenfalls mit einer Ringnut 14 versehene, längsverschiebbare Buchse 15, die über eine Zahnstange 16 und ein Antriebsritzel 17, beispielsweise in Abhängigkeit von

§o einem nicht dargestellten Drehzahlmeßgerät, bewegbar ist. Die Ringnut 14 arbeitet mit der Steuerkante U des Antriebs-Hubkolbens 5 zusammen, und von ihr aus führt wegen der Beweglichkeit der Buchse 15 eine flexible Leitung 18 zum Vorratsbehälter 3. Vom Innenraum des Antriebszylinders 6 aus führt eine Vor- und Rücklaufleitung 19 zum Innenraum des Arbeitszylinders 8, in dem eine ebenfalls als Steuerkante dienende Ringnut 20 angebracht ist, von der aus eine vorzugsweise als Drosselleitung ausgebildete Verbindung 21 zum Vorratsbehälter 3 führt. Der Arbeits-Hubkolben 7 wirkt auf den Schaft 22 eines durch eine Feder 23 über einen Federteller 24 in Schließstellung gehaltenen Ventils 25. Schließlich ist der Vorratsbehälter 3 durch eine weitere Leitung 26 und das in Richtung zum Vorratsbehälter 3

h") hin absperrend wirkende Rückschlagventil 4 auch noch direkt mit dem Innenraum des Antriebszylinders 6 verbunden.
Wird, ausgehend von der in F i g. 1 dargestellten Lage,

der Antriebs-Hubkolben 5 durch den Nocken 10 nach oben verschoben, so entweicht die im Antriebszylinder 6 befindliche Steuerflüssigkeit über die Längsbohrung 13, die Ringnuten 12 und 14 und die Leitung 18 in den Vorratsbehälter 3, bis die Steuerkante 11 die Ringnut 14 abschließt. Von diesem Zeitpunkt an wird die Steuerflüssigkeit durch die Vor- und Rücklaufleitung 19 direkt in den Arbeitszylinder 8 geschoben und drückt den Arbeits-Hubkolben 7 und damit das Ventil 25 nach unten. Erreicht die Oberkante des Arbeits-Hubkolbens 7 die Ringnut 20, so kann die immer weiter zuströmende Steuerflüssigkeit durch die Verbindung 21 in den Vorratsbehälter 3 abströmen, das Ventil 25 bleibt in gleicher Offenstellung. Beim Abwärtshub des Antriebs-Hubkolbens 5 saugt dieser zunächst die Steuerflüssigkeit aus dem Arbeitszylinder 8 zurück, bis der Arbeits-Hubkolben 7 in Entlastungsstellung ist und Druckausgleich herrscht. Anschließend saugt er bis zur unteren Totpunktstellung über die Leitung 26 und das Rückschlagventil 4 neue Steuerflüssigkeit an und füllt das gesamte System wieder.

Durch Verstellen der Buchse 15 wird der Ringraum 14 früher oder später abgesperrt. Die sich hieraus ergebende Änderung der Ventilöffnungszeit ist aus F i g. 2 zu ersehen. Trägt man auf der Ordinate 27 die Kolbenstellung, und auf der Abszisse 28 die Zeit bzw. den Nockenwinkel auf und läßt der Einfachheit halber Maßstabunterschiede und Phasenverschiebungen außeracht, so zeigt die Kurve 29, 30 die Bewegung des Antriebs-Hubkolbens 5, die proportional zu der von ihr verdrängten Steuerflüssigkeitsmenge ist. Wird die Buchse 15 (Fig. 1) so weit nach unten geschoben, daß die Steuerkante 11 bereits zu Beginn des Aufwärtshubes des Antriebs-Hubkolbens 5 die Ringnut 14 abschließt, wird die Steuerflüssigkeit sofort in den Arbeitszylinder 8 geleitet und der Arbeits-Hubkolben 7 bewegt sich nach der Kurvenbahn 31. Sobald der Arbeits-Hubkolben 7 die Ringnut 20 freigibt, verbleibt er in seiner Stellung, was durch die Gerade 32 erkennbar ist. Ändert der Antriebs-Hubkolben 5 seine Bewegungsrichtung und geht er nach unten, so wird im gleichen Maße auch der Arbeits-Hubkolben 7 entlastet, was durch die Kurvenbahn 33 deutlich erkennbar ist. Von Bedeutung ist hierbei, daß, sobald der Arbeits-Hubkolben 7 seine Endstellung erreicht, der Antriebs-Hubkolben beginnt, aus dein Vorratsbehälter 3 Steuerflüssigkeit nachzusaugen, was ab dem Punkt 36 der Fall ist. Je weiter die Buchse 15 nach oben verschoben wird, desto später wird der Arbeits-Hubkolben 7 beaufschlagt, was für zwei Stellungen die Kurven 34 und 35 zeigen.

In der F i g. 3 sind die in F i g. 1 bereits beschriebenen, gleichen Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen und bedürfen daher keiner erneuten Erläuterung. Gegenüber der Anordnung nach F i g. 1 ist jedoch in der Vor- und Rücklaufleitung 19 noch ein in Richtung zum Antriebszylinder 6 hin absperrendes Rückschlagventil 37 und eine die Vor-und Rücklaufleitung 19 mit der Leitung 18 verbindende Umgehungsleitung 38 vorgesehen, in der ein weiteres, in Richtung zur Leitung 19 hin absperrendes Rückschlagventil 39 angeordnet ist.

Zur kurzen Erläuterung der Wirkungsweise soll gleichzeitig die Fig.4 mit herangezogen werden, welche für die Anordnung nach Fig.3 die gleichen Aussagen wie Fig. 2 für Fig. 1 macht. Auch hier sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszahlen versehen.

Wird der Antriebs-Hubkolben 5 nach oben verschoben, so wird gleichzeitig über das Rückschlagventil 37 und die Vor- und Rücklaufleitung 19 der Arbeits-Hubkolben 7 beaufschlagt und öffnet das Ventil 25. In F i g. 4 ist dies aus den Kurven 29 und 31 zu ersehen. Sobald die Ringnut 20 die Verbindung 21 zum Vorratsbehälter 3 freigibt, bewegt sich der Arbeits-Hubkolben 7 nicht weiter, was in F i g. 4 durch die Gerade 32 zum Ausdruck kommt. Bewegt sich der Antriebs-Hubkolben 5 wieder nach unten und ist die Buchse 15 so weit nach oben verschoben, daß ihre Ringnut 14 sofort über die Steuerkante 11 mit dem Antriebszylinder 6 verbunden ist, drückt die Sleuerflüssigkeit vom Arbeitszylinder 8 über die Vor- und Rücklaufleitung 19, das Rückschlagventil 39 und die Rücklaufleitung 38 sofort wieder in den Antriebszylinder 6 zurück, der Arbeits-Hubkolben 7 wird entlastet und das Ventil 25 schließt (Kurve 33 in F ig. 4).

Hat der Arbeits-Hubkolben 7 seine Ruhestellung erreicht, befindet sich der Antriebs-Hubkolben 5, wie bereits beschrieben, bei Punkt 36 in F i g. 4. Während des weiteren Abwärtshubes saugt er dann über die Leitung 26 und das Rückschlagventil neue Steuerflüssigkeit aus dem Vorratsbehälter 3 an (Kurve 30 in F i g. 4).

Wird die Buchse 15 hingegen weiter nach unten verschoben, so daß die Ringnut 14 erst mit dem Antriebszylinder 6 verbunden wird, wenn der Antriebs-Hubkolben 5 bereits einen gewissen Weg nach unten zurückgelegt hat, so ist zu Beginn des Antriebs-Hubkolbens 5 zunächst eine Rückströmung der Steuerflüssigkeit aus dem Arbeitszylinder 8 durch das Rückschlagventil 37 nicht möglich, der Arbeits-Hubkolben 7 hält daher das Ventil 25 weiterhin offen. Inzwischen saugt der Antriebs-Hubkolben 5 über die Leitung 26 und das Rückschlagventil 4 Steuerflüssigkeit aus dem Vorratsbehälter 3 an. Erst wenn die Sleuerkante 11 die Ringnut 14 erreicht, drückt die Steuerflüssigkeit aus dem Arbeitszylinder 8 über die Leitungen 19, 38 und 18 zurück und das Ventil 25 wird verspätet geschlossen.

Durch das Rückströmen der Steuerflüssigkeit schließt das Rückschlagventil 4 und der Antriebszylinder 6 füllt sich vollends durch die rückströmende Flüssigkeit. Je weiter die Buchse 15 nach unten verschoben wird, desto später wird das Ventil 25 geschlossen, wie die Kurven 40,41 und 42 zeigen.

Abschließend wird ausdrücklich erwähnt, daß aus den schematischen Darstellungen in den F i g. 1 und 3 keine bestimmten konstruktiven Ausführungsformen für die Zylindereinheiten, den Antrieb der verstellbaren Buchse, der Steuerkanten, der flexiblen Leitung od. ä. hergeleitet werden können. Beispielsweise kann die Buchse jederzeit auch durch irgendwelche Servozylinder, Schrittschaltmotoren oder dergleichen angetrieben werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Regelbare hydraulische Ventilsteuerung für Hubkolbenkraft- oder Arbeitsmaschinen, die aus einem von einem Nocken betätigbaren, mit Steuerkanten eines die Ventilöffnungszeit bestimmenden Steuerkantenpaares versehenen, in den Innenraum eines Antriebszylinders hineinragenden Antriebs-Hubkolben, einem das Ventil unmittelbar betätigenden, mit einer Steuerkante zum Festlegen eines durch Aufsteuern einer Entlastungsleitung bestimmten Ventilhubes versehenen, in einem Arbeitszylinder geführten Arbeits-Hubkolben, einer die beiden Zylinder miteinander verbindenden Vor- und Rücklaufleitung für die Steuerflüssigkeit und einem mit beiden Zylindern verbindbaren Vorratsbehälter besteht, wobei zum Verändern der Vent'löffnungszeit der AntriebsHubkolben von einer außerhalb des Antriebszyiinders angeordneten, in Abhängigkeit von einer Betriebsgröße verstellbaren Buchse umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der axial verschiebbaren Buchse (15) und im Antriebs-Hubkolben (5) das Steuerkantenpaar bildende, aneinander vorbeigleitende Ringnuten (14, 12) von unterschiedlicher axialer Abmessung vorgesehen sind, die Ringnut (12) des Antriebs-Hubkolbens (5) durch eine Querbohrung und eine in diese mündende Längsbohrung (13) mit dem Antriebszylinder (6) verbunden ist und daß durch das Verschieben der Buchse (15) zum Verändern des Ventilöffnungszeitpunktes der Antriebszylinder über die Ringnut (14) der Buchse in unterschiedlichen Öffnungsphasen des Antriebs-Hubkolbens (5) mit dem Vorratsbehälter (3) bzw. zum Verändern des Ventilschließzeitpunktes tier Antriebszylinder über die Ringnut (14) der Buchse (15) in unterschiedlichen Schließhubphasen des Antriebs-Hubkolbens (5) mit dem Arbeitszylinder (8) verbindbar ist (F ig. 1 und 2 bzw. 3 und 4).

2. Regelbare hydraulische Ventilsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leitung (26) zwischen dem Vorratsbehälter (3) und dem Antriebszylinder (6) in Richtung zum Vorratsbehälter (3) hin absperrende Rückschlagventile (4) zum selbsttätigen Nachsaugen von Steuerflüssigkeit vorgesehen sind.

3. Regelbare hydraulische Ventilsteuerung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß für mehrere an einer Hubkolbenmaschine angebrachte Ventilsteuerungen nur ein gemeinsamer Vorratsbehälter (3) vorgesehen ist.