DE2821339C3 - Hydraulische Kolbenzylindervorrichtung zum Erzeugen einer axialen Kolbenschwingung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine hydraulische Kolbenzylindervorrichiung zum E-zeuger ;iner axialen Kolbenschwingung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches.

Derartige Vorrichtungen sind bereits beschrieben in der DE-AS 16 53 546. Sie dienen zu mechanischen Materialbearbeitungen, beispielsweise in Rammen, in Steinbohrern und dergl.

Die Problematik bei der erwähnten und allgemein bei den bekannten konventionellen Vorrichtungen dieser Art besteht vor allem in der hohen Lärmentwicklung und im Energieverbrauch für die Wechseldruckerzeugung in den benötigten Druckflüssigkeiten.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung der im Anspruchsoberbegriff bezeichneten Art zu schaffen, die sich durch einen besonders ruhigen Lauf bei genauer Steuerungsmöglichkeit der Vibrationsfrequenz und verhältnismäßig geringem Energiebedarf auszeichnet, ohne diese Vorteile durch Komplizierung der Bauweise zu erkaufen.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß bei Vorrichtungen der im Anspruchsoberbegriff bezeichneten Art durch Einhaltung der im Anspruchskennzeichen definierten Merkmale.

Die erfindungsgemäß gestaltete Vorrichtung erzielt die Laufberuhigung durch Verminderung der hin- und herschwingenden mechanischen Apparateteile und durch Selbstzentrierung der Schwingungsruhelage und die Energieeinsparung durch besonders kompakte Bauweise unter Vermeidung jeder überflüssigen, die Druckübertfägüngen verzögernden Druckflüssigkeits* mengen, Dabei ist die erfindüngsgemjße Vorrichtung durch ihre einfache Bauweise leicht herstellbar.

Im einzelnen sei die Erfindung anhand der beigegebe-' nen Zeichnungen durch die Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert, In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform;

Fig.2 eine perspektivische Ansicht eines Ventilrotors für die Ausführungsform gemäß F i g. 2;

F i g. 3 eine Schnittansicht, genommen längs der Linie IV-IVin Fig. 2;

Fig.4 eine Schnittansicht von einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform;

Fig. 5 eine Schnittansicht einer Modifikation der in F i g. 5 gezeigten zweiten Ausführungsform.

In der in F i g. 1 gezeigten ersten Ausführungsform der Erfindung erkennt man das Hohlzylindergehäuse 10, das eine im wesentlichen zylindrische Form aufweist. Gelagert in diesem Zylindergehäuse 10 ist der Hohlzylinderkolben 20, der ebenfalls eine im wesentlichen zylindrische Form aufweist und längs seiner Achse in dem Zylindergehäuse gleitend verlagerbar eingerichtet ist. Der Hohlzylinderkolben 20 besitzt einen Hohlraum 21, in welchem ein Ventilrotor 30 rotierbar eingefügt ist, um ein Element einer später noch genauer beschriebenen Steuerventileinrichtung zu bilden. Dieser Rotor 30 besitzt an seinem Endstuck 3öö eine Steile mit verringertem Durchmesser, mit welcher der Rotor durch eine Endplattenbohrung des Zylindergehäuses 10 eingelassen ist; das genannte Endteil 306 des Rotors bildet also gegenüber der benachbarten äußeren Abschlußwandoberfläche des Zylimiergehäuses 10 einen Anschlag und verhindert zusammen mit dem etwas verbreiterten Mittelteil des Ventilrotors 30 zusammenwirkend eine axiale Bewegung des Ventilrotors 30. In einer;; Abstand zu dem Endteil 306 des Ventilrotors 30 ist ein Wechselöffnungsventil 31 mit etwas verbreitertem Durchmesser vorgesehen und am anderen, freien Ende des Ventilrotors 30 ist ein zweiter mit erweitertem Durchmesser bemessener Teil 32 mit einem axialen Abstand zu dem erwähnten Wechselöffnungsventilteil 31 vorgesehen; der verbreiterte Endteil 32 besitzt im wesentlichen den gleichen Durchmesser wie der Wechselöffnungsventilieil 31. Wie in den F i g. 2 und 3 deutlicher ersichtlich, beshz. der Wechselöffnungsventilteil 31 eine periphere Oberfläche, in welcher zwei Züge von Nuten 33 und 34 in einem axialen Abstand zueinander eingelassen sind, wobei diese Nuten sich längs des Umfangs erstrecken und in gleichen Abständen zueinander angeordnet sind. Dabei ist vorgesehen, daß die Reihe von Nuten 33 gegenüber der Reihe von Nuten 34 axial versetzt angeordnet sind und daß die Nuter 33 abwechselnd zu den Nuten 34 auf der Peripherie des Rotors eingelassen sind.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird ersichtlich, daß der Hohlzylinderkolben 20 und der Ventilrotor 30 derart miteinander zusammenarbeiten, daß sie ein Cteuerungsventil bilden, bei dem der Kolben als Ventilstator im Hinblick auf den Rotor 30 dient.

Die zwei Flüssigkeitskammern 11 und 12 sind ringförmig angeordnet und begrenzt d^ich innere Belastungsflächen Ils und 12a für die Druckbeaufschlagung des Hohl/ylinderkolbens 20. nämlich den Front- und Rückseitenflächen eines Ringflanschteiles 20a. und durch die peripheren Innenwände des Hohlzylindergehäuses 10, Von diesen zwei Flüssigkeitskammern ist die eine Kammer 11, welche an die Belastungsfläche 11a (die gegenüber der BeJastungsfläche 12a in einem kleineren Bereich mit der Flüssigkeit in Verbindung steht) verbunden mit einer Flüssigkeitszufuhrverbin· dungS'Einläßöifnung P₁ welche durch die periphere Wand des Zylindiifgehäuscs 10 hindurch eingelassen ist, so daß diese Kammer 11 permanent unter Flüssigkeits*

druck gehalten wird.

Auch der Hohlzylinderkalben 20 besitzt einen Bereich seiner peripheren Wand, der mit einer Einlaßöffnung 25 versehen ist, welche die Flüssigkeitskammer 11 in Verbindung bringt mit eier Hohlraumkam- mer 21 in dem Hohlzylinderkolben 20. Andererseits steht die Hohlraumkammer 21 in Verbindung mit der Flüssigkeitskammer 12, welche an die Belastungsfläche 12a mit ihrem etwas größeren Druckbeaufschlagungsbereich angrenzt, und zwar durch die Kanäle 22, welche sich axial in dem Hohlzylinderkolben 20 erstrecken (von diesen Kanälen 22 sind bei dieser Ausführungsform der Erfindung, wie in F i g. 3 ersichtlich, drei Exemplare im Umfang des Hohlzylinderkolbens vorgesehen). Der Wechselöffnungsventilteil 31, der einen Teil des Ventilrotors 30 mit etwas vergrößertem Durchmesser darstellt, ist so zu den Mündungen 22a der Kanäle 22 eingefügt angeordnet, daß er einen Flüssigkeitszutritt zu der Hohlraumkammer 21 in dem Hohlzylinderkolben 20 ermöglicht. Die Einlaßöffnung 25 ist in dem Teil der peripheren Wand des Kolbens 20 eingelassen, der eine Region begrenzt, welche durch den Wechse'offnungsventilteii 31 und den ebenfalls verbreiterten Teil 32 innerhalb des Hohlraums des Hohlzylinderkolbens situiert ist, so daß die hierdurch gebildete Hohlraumkammer 21 in Verbindung steht mit der erwähnten Flüssigkeitskammer 11. An dem der Flüssigkeitskammer 12 entgegengesetzten Ende des Hohlzylinderkolbens 20 befindet sich zwischen dem Wechselöffnungsventilteil 31 und der Abschlußfläche des Hohizylinderkolbens 20 eine Flüssigkeitskammer 14, welche ihrerseits in Verbindung steht mit einer Rücklaufverbindungsauslaßöffnung R, welche in der peripheren Wandfläche des Hohlzylinderkolbens 20 eingelassen ist. Weiterhin ist noch eine andere Flüssigkeitskammer 23 vorgesehen, und zwar an dem freien Ende des Ventilrotors 30 durch den dort befindlichen Abschlußteil 32 mit etwas größerem Durchmesser zur Bildung des Hohlraumes 21 einerseits und der dort befindlichen Endfläche des Hohlzylinderkolbens 20; diese Flüssigkeitskammer 23 steht in Verbindung mit der Kammer 14 über einen Flüssigkeitskanal 24, der sich in dem Hohlzylinderkolben 20 axial erstreckt.

Die Arbeitsweise des vorstehend beschriebenen Beispiels einer erfindungsgemäßen Ausführungsform wird nachstehend beschrieben: Die »n die Belastungsfläche 11a angrenzende Hüssigkeitskammer 11 mit ihrem kleineren Bereich der Belastungsfläche des Hohlzylinderkolbens wird unter andauernder Druckbeaufschlagung gehalten, welche durch die hydraulische Druckquelle (nicht gezeigt) über die Einlaßöffnung P geliefert wird. Der Ventilrotor 30 des Steuerungsventils wird zur Rotation gebracht. Während dieser Rotation kommen die in zwei Reihen auf dem Wechselöffnungsventilteil 31 angebrachten Nuten 33 und 34 mit den Öffnungen 22a der Kanäle 22 abwechselnd zueinander in Verbindung. Während die NuPn 33 mit den Mündungen 22a in Kommunikation treten, wird die Flüssigkeitskammer 12 durch die Rücklaufauslaßöffnung R über die Flüssigkeitskanäle 22 und die Flüssigkanäle 14 in Verbindung gebracht, so daß der Druck in der Kammer 11 den Druck in der Kammer 12 überschreitet und auf diese Weise den Kolben dazu bringt, sich in der Zeichnung gemäß Fig. 1 nach rechts hin zu bewegen. Wenn der Ventilrotor 30 sich weilergedreht hat, kommen jeweils die Nuten 34 in Verbindung mit den Öffnungen 22a (um zu vermeiden, daß die anderen Nuten 33 zu dieser Zeit mit den öffnungen 22a im Verbindung treten können, ist die F-ntfernung zwischen den Nuten 33 und den beigeordneten Nuten 34 in der Umfangsrichtung des Wechseleffnungsventilteils 31 so bemessen, daß dieser Abstand breiter ist, als die Weite der öffnungen 22a bzw. der Durchmesser dieser öffnungen 22a im Umfangszylinderkolben). Wenn also die Nuten 34 mit den Kanalöffnungen 22a in Verbindung stehen, wird auch die Flüssigkeitskammer 12 mit der Flüssigkeitskammer 11 über die Flüssigkeitskanal 22, den Hohlraiimtei! 21 des Hohlzylinderkolbens und die Einlaßöffnung 25 in Verbindung gebracht, so daß der Druck in der Kammer 12 wieder ansteigt bis auf den in der Kammer 11 befindlichen Druck. Da die Belastungsfläche 12a des Zylinderkolbens, welche an die Flüssigkeitskammer 12 angrenzt, größer ist als die Belastungsfläche 11a bei der Kammer 11, wird der Hohlzylinderkolben 12 dazu gebracht, sich in der Richtung nach links, gesehen in Fig. 1, hinzubewegen. Auf diese Weise wird bei de/· Rotation des Ventilrotors 30 mit dem Wechselöffnungsventilteil 31 bewirkt, daß die Flüssigkeitskanäle 22 zur abv . chselnden Verbindung mit der Zufuhrverbindungseinlaß'"-ffnung P einerseits und mit der Rücklaufverbindungsöffnung R in Verbindung gebracht werden, wodurch die Hin- und Herbewegung bzw. Vibration des Hohlzylinderkoibens 20 bev :rkt wird. Der Hohlzylinderkolben 20 erhält eine Vibrationsfrequenz entsprechend N χ η. '.',obei Λ/die Umdrehungsgeschwindigkeit des Ventilrotors 30 und π die Anzahl der Nuten angibt.

Bei der vorstehend beschriebeneii ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Steuerungsdrehventil und der Zylinderkolben praktisch als ein zusammengehöriger Körper ausgebildet. Diese Anordnung vermeidet jede überflüssige räumliche Entfernung mit Verbindungsflüssigkeitskanäien. welche wie bereits cwähnt. infolge der Kompressions· und Expansions-Zyklen der hydraulischen Zylinderkolbenvorrichtung, Verzögerungen ergeben. Aufgrund dieser kompakten Bauweise wird nicht nur ein*, hohe Ansprechbarkeit des hydraulischen Hohlzylinderkolbens auf die Wechselöffnungsaktion der Flüssigkeitskanal mit Hilfe des Steuerungsdrehventils hervorgerufen, sondern es wird auch die Erreichung von mechanischen Vibrationen erleichtert mit einer ausreichenden Amplitude bei einer hohen Vibrationsfrcqnenz. Weiterhin dient der Hohlzylinderkolben als ein Ventilstator für die Steuerungsventileinrichtung und mindestens eine der Flüssigkeitskammern mit ihren Belastungsflächen des Hohlzylinderkolbens auf den entgegengesetzten Seiten ist angeordnet in derselben Radialebene wie der Ventilrotor, wodu-ch die Flüssigkeitskanäle bzw. die Ein- und Auslässe, mit dieser Flüssigkeitskammer so in Verbindung stehen. d;.ß die Verbindungskanäle eine Tiini.nule Länge und damit auch ein minimales Volumen aufweisen, ein Minimumvolumen, welches für die Öffnungen und Ai.Schlüsse als Mindestmaß erforderlich ist. D'ese kompakte Bauweise erhöht auch die Einfachheit der Konstruktion des hydraulischen Kolbenzylinders und führt außerdem /u einem geringeren Verbrauch an hydraulischer Druckenergie für die Betätigung der Vorrichtung.

Jedoch ist bei dem vorstehend becchi'iebenen Ausführungsbeispiel auch anzumerken, daß immer noch eine beträchtliche Entfernung zwischen den Nuten 33 bzw. 34 des Wec^selöffnungsventilteiles 31 und der Flüssigkeitskärrimer 12 besteht, d. h. also, daß die Kanäle 22 eine beträchtliche Länge aufweisen. Deshalb ist der Druck in der Kammer 12 erst dann bis zu einem

ausreichenden Niveau erhöht, wenn seine Verbindung zu der Flüssigkeitseinlaßöffnung P durch den Wechselöffnungsventilteil bis zu der Flüssigkeit in den Kanälen 22 völlig komprimiert ist; andererseits wird auch der Druck in dieser Kammer 12 erst dann auf das erforderliche Niveau abgesenkt, wenn die genannte Flüssigkeit völlig expandiert ist, wodurch also eine Verzögerung in der Bewegung des vibrierenden Hohlzylinderkolbens verursacht wird, Welche in Abhängigkeit steht zu dem Volumen der Flüssigkeitskanäle 22, so daß für den Fall einer Betätigung bei hoher Vibrationsfrequenz der Zylinder nicht die erforderliche Amplitude der Vibration erreicht; es kommt hinzu, daß für den Fall, daß eine Hochleistungsvibration hervorgerufen werden soll, eine beträchtliche Menge an hydraulischer Druckzufuhrenergie für die Komprimierung der Flüssigkeit in den genannten Kanälen erforderlich ist.

In Fig.4 ist nun eine zweite Ausführungsform der

wesentlichen völlig ausschaltet. Entsprechend dieser Ausführungsform ist eine Flüssigkeitskammer 12/4, welche an sich der Flüssigkeitskammer 12 der ersten Ausführungsform entspricht, nunmehr so ausgeformt, daß sich in der gleichen Radialebene des Wechselöffnungsvenlilteiles 31 des Ventilrotors 30 befindet, derart, daß sie dem Wechselöffnungsventilteil 31 über die radialen Öffnungen 22-4 entgegenstehen, welche eine unbeträchtliche Länge aufweisen. Auf diese Weise ist der Abstand zwischen der Flüssigkeitskammer 12/4 und dem Wechselöffnungsventilteil 31 wesentlich herabgesetzt. Bei dieser Anordnung besitzen die Durchlaßöffnungen 22/4 ein zu vernachlässigendes Volumen und die Kolbenzylindervorrichtung kann dementsprechend leicht mechanische Vibrationen der gewünschten Amplitude auch in Verbindung mit einer hohen Vibrationsfrequenz hervorbringen. Zusätzlich sei bemerkt, daß bei dieser Ausführungsform die an die kleinere Belastungsfläche 11a angrenzende Flüssigkeitskammer 11 des Hohlzylinderkolbens immer unter dem Druck der durch die Einlaßöffnung 28 eingelassenen Flüssigkeit steht und mit der Zufuhreinlaßöffnung P kommuniziert, um die Belastungsfläche 11a des Kolbens axial zu beaufschlagen. Bei dieser Anordnung steht die Flüssigkeitskammer 12/4 dann, wenn die Nuten 33 des Wechselöffnungsventilteils 31 mit den Durchlässen 22/4 in Verbindung stehen, ferner in Verbindung mit der Rücklaufverbindungs-Auslaßöffnung R über die Durchlässe 22/4. eine Flüssigkeitskammer 29. die Durchlässe 27 und eine Flüssigkeitskammer 13. Während die Kammer 12Λ, dann wenn die Nuten 34 mit den Durchlässen 2?.4 in Verbindung stehen, mit der Zufuhrverbindungs-Einlaßöffnung Pkommuniziert, und zwar durch die Bohrungen 25 und die Flüssigkeitshohlraumkammer 21 hindurch. Nebenbei bemerkt bedeutet D in Fig.4 eine Dränierungsverbindungsöffnung zur Gestattung eines gewissen Ausfüeßens der Flüssigkeit in eine Flüssigkeitskammer 18 hinein.

F i g. 5 stellt eine Abwandlung der zweiten Ausführungsform der Erfindung dar, Auch in dieser Abwandlungsform ist die Flüssigkeilskammer 12/\ in der gleichen Radialebene des Wechselöffntingsventilteiles 31 angeordnet und bewirkt über kurze Durchlasse 22/1, weiche sich nur radial erstrecken, etwa ähnlich gute Resultate, wie sie mit der zuvor beschriebenen Grundform der zweiten Ausführungsform erreicht werden. Es Sollte jedoch bemerkt werden, daß ein Unterschied gegenüber der zweiten Ausführungsform darin besteht, daß die kleinere Belastungsfläche 11a in der gleichen Radialebene angeordnet ist wie die Zufuhreinlaßöffnühg P. wodurch die Oesämtkonslrüktion der hydraulischen Zylinderkolbenvorrichtung noch etwas vereinfacht ist. In Fig. 5 befindet sich bei der Bezugsziffer 15 eine Dränierungskammer. welche an dem Ende ausgebildet ist, das entgegengesetzt zu dem Ende liegt, wo sich die Flüssigkeitskammer 14 befindet; diese Kammer 14 steht in Verbindung mit einer Abschlußflüssigkeitskammer 23, welche begrenzt ist

2s durch den Endteil 32 des Veniürcicrs 30 ™ii dcrri etwas vergrößerten Durchmesser; diese Kammer steht über die Durchlässe 26 und ferner durch einen Durchlaß 24 mit der Rückfluß-Auslaßöffnung R in Verbindung. Die an den entgegengesetzten Enden des Hohlzylinderkolbens 20 vorgesehenen Spiralfedern 4, 4 halten den Hohlzylinderkolben im wesentlichen in einer zentralen Stellung im Zylindergehäuse. Da die Apparatur gemäß Fig. 5 auf diese Weise eine ähnlich konzipierte KonsiFiktion wie diejenige gemäß Fig.4 besitzt, entspricht ihre Arbeitsweise derjenigen der Vorrichtung gemäß F i g. 4.

Zurückkommend auf die verstehend beschriebene erste Ausführungsform der Erfindung soll Bezug genommen werden auf die selbständige Gleichgewichtseinstellung des Hohlzylinderkolbens 12, d. h. auf die Fähigkeit der Stabilisierung des Zentrums der Hin- und Herbewegung des Kolbens in einer vorgegebenen Axialposition. Um auf Fig.2 zurückzukommen soll angenommen werden, daß die Nuten 34 des Wechselöff-

AQ nungsventilteiles 31 gerade mit den Mündungen der Kanäle 22 in Verbindung stehen, um den Kolben 20 zu einer Bewegung nach links zu bringen. Wenn sich der Kolben nach links bewegt, dann wird der offene Bereich, mit dem die Mündungen der Kanäle 22 sich mit den Nuten 34 decken, immer kleiner werden, so daß der Druck in der Kammer 12 abnimmt, wodurch verursacht v/ird, daß sich der Kolben 20 zurückverlagert in eine Position des Gleichgewichts, worin er zu verbleiben tendiert. Hieraus ergibt sich also, daß bei der Vibrationszylindervorrichtung gemäß der Erfindung jede Verlagerung des Kolbens eine Rückkopplung ergibt zu dem Steuerungsdrehventil und auf dies. Weise dem Kolben eine selbsttätige Gleichgewichtslagerung erteilt Im Gegensatz hierzu hat der Kolben gemäß der

ih der F i g. 5 gezeigten Ausführungsform keine solche selbsttätige Gleichgewichtslagerung und es werden deshalb die Spiralfedern 4 verwendet, um auch auf diese Weise eine selbsttätige Gleichgewichtslagerung zu erzielen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Hydraulische Kolbenzylindervorrichtung zum Erzeugen einer axialen Kolbenschwingung mit einem Kolbenzylindergehäuse, einem Kolben und einem rotierbar gelagerten Ventilrotor mittels eines gesteuert abwechselndem Ein- und Auslassen von Druckflüssigkeit in eine von zwei durch einen Ansatzteil des Kolbens und dem Gehäuse begrenzten Ringkammern, bei denen die Belastungsfläche der ersten Ringkammer für den Wechseldruck größer ist als die Belastungsfläche der zweiten Ringkammer für den Dauerdruck, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilrotor (30) in axialer Richtung unverschiebbar im Zylindergehäuse ^|5 (10) rotierbar gelagert und innerhalb des Hohlraums (21) des Kolbenansatzteils durch Ringflanschteile (31, 32) geführt ist, von denen der erste als Wechselöffnungsventil (31) ausgebildet ist, in dem in einem axialen Abstand zueinander zwei Züge von Nuten (33^ 34) in gleichem Abstand auf zwei Kreisnngen abwechselnd versetzt als radiale Durchlässe vorgesehen sind, die in kolbenstellungsubhängiger Wirkverbindung mit einem oder mehreren durch den Kolbenansatzteil geführten, von der dem Wechseldruck ausgesetzten Ringkammer ausgehenden Kanal, bzvv. Kanälen (22) Uehen.