DE2909248C2 - Arbeitskolben für eine hydrostatische Kolbenmaschine - Google Patents

Description

a) auf der Außenseite des Kolbenschuhes, d. h. im Bereich der Gleitfläche, ist eine Ausnehmung vorgesehen, in die eine separate, in engen Grenzen bewegliche Gleitscheibe eingesetzt ist;

b) auf der Außenseite der Gleitscheibe ist eine -,, Entlastungstasche angeordnet, die mit dem Zylinderraum in Leitungsverbindung steht;

c) zwischen der Rückseite der Gleitscheibe und der Grundfläche der Ausnehmung ist ein Spalt vorgesehen, der ebenfalls mit dem Zylinderraum in Leitungsverbindung sieht;

gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

25

d) zusätzlich zu der beweglichen Gleitscheibe (14; 34; 44) ist am Kolbenschuh (11) eine starre Stützfläche (21) vorgesehen, mit der sich der Kolben (10) ebenfalls an der Kolbenführungsfläche (12) abstützt; jo

e) der jjf der Rückseite der Gleitscheibe (14; 34; 44) vorgesehene Sp*lt (24) ist durch einen nachgiebigen Dichtring (25) begrenzt.

2. Arbeitskolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring (25) aus einem elastischen Werkstoff gebildet ist.

3. Arbeitskolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenausdehnung des Spaltes (24) geringfügig kleiner ist als die Querschnittsfläche des Zylinderraumes (8).

4. Arbeitskolben nach einem der Ansprüche 1 bis

3, mit einer in der zur Entlastungstasche führenden Leitung angeordneten Vordrossel, dadurch gekennzeichnet, daß als zur Entlastungstasche (16) führende Leitung lediglich ein vom Spalt (24), und zwar vom Bereich des Dichtringes (25) zur Entlastungstasche führender Kanal (45) oder mehrere solcher Kanäle vorgesehen ist bzw. sind, und daß die lichte Weite des Spaltes (24) derart bemessen ist, daß er als >o Vordrossel wirkt.

5. Arbeitskolben nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückseite der Gleitscheibe (24) und die hierzu passende Ausnehmung im Kolbenschuh, wie an sich bekannt, kugelförmig oder kreiszylinderförmig sind.

6. Arbeitskolben nach einem der Ansprüche 1 bis

5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitscheibe aus gehärtetem Stahl gefertigt ist.

7. Arbeitskolben nach einem der Ansprüche 1 bis μ 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitscheibe aus Kunststoff gefertigt ist.

Die Erfindung betrifft einen Arbeitskolben für eine hydrostatische Kolbenmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Es handelt sich vorzugsweise um Arbeitskolben für Radiaikolbenmaschinen mit einem Kolbenführungsring, der ebene und polygonartig angeordnete Kolbenführungsflächen aufweist, und mit starr an den Kolben angeordneten Kolbenschuhen. Die Erfindung kann aber auch bei Kolbenmaschinen mit beweglichen Kolbenschuhen angewendet werden, so bei Radiaikolbenmaschinen mit kreisringförmigem Kolbenführungsring oder bei Axialkolbenmaschinen, deren Kolben sich auf einer feststehenden Schrägscheibe abstützen.

Aus der DE-PS 8 37 206 ist eine Radialkolbenmaschine mit ebenen, polyjronartig angeordneten Kolbenführungsflächen bekannt, deren Arbeitskolben die Merkmale a), b) und c) des Anspruchs 1 aufweisen. Dort stützt sich jeder Arbeitskolben allein über eine eingesetzte Gleitscheibe auf der Kolbenführungsfläche ab. Die dem Kolben zugewandte Rückseite der Gleitscheibe ist als Kugelkalotte ausgebildet Somit wirkt diese Gieitscheibe wie ein beweglicher Kolbenschuh. Die beschriebene Bauweise macht es erforderlich, daß zwischen dem Zylinderblock und dem Kolbenführungsring ein Mitnehmer, z. B. in Form einer Kreuzschleifen- oder Universalkupplung angeordnet wird. Es muß nämlich hierdurch sichergestellt werden, daß der Zylinderblock und der Kolbenführungsring stets die gleiche Drehzahl haben. Ein Nachteil dieser Bauweise besteht darin, daß ein solcher Mitnehmer aufwendig und störanfällig ist; denn er muß die Exzentrizität zwischen dem Zylinderblock und dem Kolbeiiführungsring überbrücken.

Durch die in der Gleitfläche angeordnete Entlastungstasche wird eine Kolbenentlastungskraft auf den Kolben ausgeübt und somit ein weitgehender Ausgleich der Kolbenkraft bewirkt. Dadurch gleitet der Kolbenschuh nahezu reibungsfrei auf der Kolbenführungsfläche. Um die Kolbenentlastungskraft möglichst exakt festlegen zu können, ist es zweckmäßig, die Entlastungstasche durch eine nur verhältnismäßig schmale ringförmige Dichtfläche zu begrenzen. Bei Arbeitskolben mit starrem Kolbenschuh ist es bekannt, daß die vorgenannte ringförmige Dichtfläche ihrerseits von einer mit dem Niederdruckbereich in Verbindung stehenden Ringnut umgeben ist. Hierdurch ist die Gleitfläche des Kolbenschuhes unterteilt in die genannte Dichtfläche und in eine im äußeren Bereich der Gleitfläche noch verbleibende Stützfläche.

Es ist ferner bekannt, in der Verbindungsleitung vom Zylinderraum zur Entlastungstasche eine Vordrossel anzuordnen (DE-OS 23 52 274). Hierdurch stellt sich in der Entlastungstasche ein gegenüber dem Zylinderraum niedrigerer Druck ein, der nicht nur von der Vordrossel, sondern auch von der lichten Weite des Spaltes zwischen der Dichtfläche und der Kolbenführungsfläche, also von der Drosselwirkung dieses Spaltes, abhängt. Die lichte Weite dieses Spaltes hat die Tendenz sich zu ändern, wenn am Kolben unterschiedliche äußere Zusatzkräfte, z. B. Fliehkräfte, angreifen. Bei der vorbeschriebenen Anordnung wird nun aber ein selbsttätiges Einregeln der Spaltweite bewirkt, weil z. B. ein Verkleinern der Spaltweite in der Entlastungstasche eine Erhöhung des Druckes auslöst, was ein Wieder-Ansteigen der Spaltweite zur Folge hat.

Bei den Arbeitskolben der vorbeschriebenen Art, insbesondere in Radialkolbenmaschinen mit starr an den Kolben angeordneten Kolbenschuhen und mit ebenen, polygonartig angeordneten Kolbenführungsflächen, ist es erforderlich, dafür zu sorgen, daß der Kolbenschuh mit seiner Gleitfläche möglichst satt auf

der Kolbenführungsfläche aufliegt, damit Leckflüssigkeitsverluste möglichst geringgehalten und die am Kolben angreifenden Umfangs- und Querkräfte aufgefangen werden können. Gerade zwischen Kolbenschuh und Kolbenführungsfläche ist nämlich die Gefahr von Leckflüssigkeitsverlusten besonders hoch. Vor allem sind es etwaige Fertigungsungenauigkeiten, die einem satten Anliegen des Kolbenschuhes auf der Kolbenführungsfläche entgegenwirken können. Beispiele solcher Fertigungsungenauigkeiten:

a) Die Teilung der irn Zylinderblock vorgesehenen Zylinderbohrungen weicht ab von der Teilung der polygonartig angeordneten Kolbenführungsflächen.

b) Die Gleitfläche des starren Kolbenschuhes liegt nicht ei.akt rechtwinkelig zur Kolbenmantelfläche.

c) In einer Kolbenmaschine mit verstellbarer Exzentrizität liegen die Gleitflächen für den verstellbaren Steuerzapfen und die Lagerflächen für den Kolbenführungsring nicht exakt parallel z'.ieinander.

d) Die Kolbenführungsflächen sind nicht exakt eoen.

Bekannte Maßnahmen zur Verminderung der Leckflüssigkeitsverluste, die in der Abstützung des Kolbens auf der Kolbenführungsfläche auftreten:

1. Es werden nur sehr enge Fertigungstoleranzen zugelassen; d. h. an die Fertigung der Einzelteile werden hohe Genauigkeits-Anforderungen gestellt Dies ist mit hohen Kosten verbunden.

2. Die oben unter a) bis c) genannten Fertigungsungenauigkeiten werden durch ein verhältnismäßig großes Spiel zwischen dem Kolben und der Zylinderbohrung ausgeglichen, so daß sich der Kolben relativ zur Achse des Zylinderraumes schrägstellen kann. Dem sind jedoch Grenzen gesetzt, we^;l oberhalb eines bestimmten Durchmesser-Spiels die Leckage zwischen Kolben und Zylinder unzulässig hoch wird.

3. Der Kolbenschuh ist am Kolben beweglich angelenkt. Einerseits ist dies bekannt bei einer Radialkolbenmaschine mit ebenen, polygonartigen Kolbenführungsflächen (US-PS .'6 96 139). Dort sind jedoch keine Entlastungstaschen zum hydrostatischen Ausgleich der Kolbenkräfte vorgesehen. Statt dessen findet die Kraftübertragung von den Kolben auf die Kolbenführungsflächen rein mechanisch mittels Rollen statt Dies führt zu einer komplizierten und teueren Konstruktion mit hoher Geräuschentwicklung. Problematisch ist auch die Kraftübertragung in Umfangsrichtung vom Kolbenschuh auf den Kolben oder umgekehrt. Andererseits sind bewegliche Kolbenschuhe bekannt bei Radialkolbenmaschinen mit kreisrunden Kolbenführungsflächen (DE-OS 14 03 748). Dort ist man aber allein schon durch die Form der Kolbenführungsfläche zur Anwendung beweglicher Kolbenschuhe gezwungen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Arbeitskolben für hydrostatische Kolbenmaschinen derart weiterzubilden, daß in der gesamten Kolbenmaschine verhältnismäßig grobe Fertigungstoleranzen zugelassen werden können und daß trotzdem ein sattes Anliegen des Kolbenschuhes an der Kolbenführungsfläche gewährleistet ist, ohne daß es für diesen Zweck erforderlich wird, den Koibenschuh beweglich am Kolben anzulenken.

Diese Aufgabe wird durch den im Anspruch 1 angegebenen Arbeitskolben gelöst Danach geht die Erfindung aus von demjenigen bekannten Arbeitskolben (DE-PS 8 37 206), welcher im Kolbenschuh eine in engen Grenzen bewegliche Gleitscheibe aufweist wobei zwischen deren Rückseite und dem Kolben ein Spalt vorgesehen ist, der mit dem Zylinderraum in Leitungsverbindung steht Gemäß der Erfindung wird am Kolbenschuh zusätzlich zu der beweglichen Gleitscheibe eine starre Stützfläche vorgesehen. Damit hierdurch an dem genannten Spalt nicht zusätzliche Leckverluste verursacht werden, ist dieser gemäß der Erfindung durch einen nachgiebigen Dichtring begrenzt.

Die Erfindung ist vor allem bei Arbeitskolben mit starren Kolbenschuhen anwendbar, also in Radialkolbenmaschinen mit ebenen und polygonartig angeordneten Kolbenführungsflächen. Hierbei wirkt die erfindungsgemäße Bauweise des Arbeitskc^rens wie folgt: Ober die zusätzliche, am Kolbenschuh i-ngeordnete starre Stützfläche wird die für die Mitnahme des Zylinderblockes erforderliche Umfangskraft übertragen. Außerdem können etwa noch auftretende Querkräfte überlragen werden. Jedenfalls kann eine Mitnehmer-Kupplung, die ansonsten zwischen dem Zylinderblock und dem Kolbenführungsring angeordnet werden müßte, entfallen. Dennoch gewährleistet die nachgiebige Anordnung der Gleitscheibe, die die gesamte (oder doch zumindest nahezu die gesamte) Kolbenkraft vom Arbeitskolben auf die Kolbenführungsfläche überträgt ein einwandfreies sattes Anliegen der Gleitscheibe an der Kolbenführungsfläche. Dadurch werden etwa vorhandene Fertigungsungenanigkeiten (Beispiele siehe oben unter a) bis d)) ausgeglichen. Es werden somit im Bereich der Entlastungstasche die Leckflüssigkeitsverluste wesentlich verringert und gleichzeitig die Herstellungskosten gesenkt weil bei zahlreichen Einzelteilen der Kolbenmaschine gröbere Fertigungstoleranzen zugelassen werden können. Bei Anwendung der Erfindung in einer Axialkolbenmaschine, deren Arbeitskolben bewegliche Kolbenschuhe haben, wird mit Hilfe der zusätzlichen starren Stützfläche eine Stabilisierung des Kolbenschuhes gegen Fliehkräfte erreicht.

Wie bei der bekannten Radialkolbenmaschine (DE-PS 8 37 206) pflanzt sich der im Zylinderraum herrschende Betriebsdruck fort bis in den auf der Rückseite der Gleitscheibe vorgesehenen Spalt. Dabei kann bei Bedarf in der Verbindungsleitung zwischen dem Zylinderraum und dem Spalt eine Vordrossel vorgesehen werden; dies ist aber kein dringendes Erfordernis. In dem Spalt erzeugt der Betriebsdruck auf der dur.:h d-en Dichtring begrenzten Fläche auf dem Kolben die Kolbenentlastungskraft. Zweckmäßig wird man durch die im Anspruch 3 beschriebene Maßnahme dafür sorgen, daß die Kolbenentlastungskraft geringfügig kleiner als die Xolbenkraft ist. Eine gleich große Kraft übt der Betriebsdruck auf die Rückseite der Gleitscheibe aus. Dieser Kraft wirkt entgegen eine in der Entlastungstasche ebenfalls durch den Betriebsdruck erzeugte Scheibenentlastungskraft, die wiederum kleiner als die Kolbenentlastungskraft bemessen wird.

Es wurde oben schon erwähnt, daß es bei häufig wechselnder Drehzahl zweckmäßig ist, mittels einer Vordrossel ein selbsttätiges Einregeln der Spaltweite zwischen dem Kolbenschuh und der Kolbenführungsfläche zu erzielen. Diese Methode kann ohne Schwierigkeiten auch bei dem erfindungsgemäßen Arbeitskolben

angewandt werden. In diesem Fall wird die Spaltweite zwischen der Gleitscheibe und der Kolbenführungsfläche auf einen wenigstens angenähert konstanten Wert eingeregelt. Nun kann aber, gemäß einem wichtigen weiterführenden Gedanken der Erfindung (Anspruch 4), erreicht werden, daß als Vordrossel keine besondere Drosselbohrung oder ein entsprechendes Einbauteil (etwa gemäß DE-OS 23 52 274) vorgesehen werden muß. Denn durch die im Anspruch 4 angegebene Gestaltung des Arbeitskolbens kann der auf der Rückseite der Gleitscheibe befindliche Spalt als Vordrossel benützt werden.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 5 bis 7 genannt.

Die Anwendung des im Anspruch 4 beschriebenen Gedankens ist nicht nur in Radialkolbenmaschinen mit polygonartig angeordneten Kolbenführungsflächen von Vorteil, sondern besonders auch in Kolbenmaschinen mit gelenkig am Kolben befestigten Kolbenschuhen. In solchen Kolbenmaschinen ist es nämlich erforderlich, die Vordrossel in Strömungsrichtung erst nach dem Gelenk anzuordnen, also innerhalb des beweglichen Kolbenschuhs zwischen dem Gelenk und der Entlastungstasche. Es würde große Schwierigkeiten bereiten, an dieser Stelle eine Drosselstelle bekannter Bauart unterzubringen.

Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen gemäß der Erfindung ausgebildeten Arbeitskolben nach Linie I-I der Fig. 2;

Fig. 2 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles 11 der Fig.l;

F i g. 3 und 4 weitere gemäß der Erfindung ausgebildete Arbeitskolben im Längsschnitt.

Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Arbeitskolben besteht im wesentlichen aus dem eigentlichen Kolben 10, dem daran angeformten starren Kolbenschuh 11 und aus einer in eine kreisrunde Ausnehmung des Kolbenschuhes eingesetzten Gleitscheibe 14. Dieser Arbeitskolben ist für eine Radialkolbenmaschine beispielsweise nach DE-OS 24 30 119 bestimmt. Eine solche Maschine besitzt einen auf einem Steuerzapfen drehbar gelagerten Zylinderblock 9, in dem mehrere am Umfang verteilte und sich in radialer Richtung erstreckende Zylinderräume 8 angeordnet sind. Außerdem ist ein Kolbenführungsring vorgesehen, der um eine gegenüber der Drehachse des Zylinderblockes versetzte Achse drehbar ist und der polygonartig angeordnete, ebene Kolbenführungsflächen 12 aufweist. Wie allgemein bekannt, gleitet der Arbeitskoiben beim Betrieb einer solchen Maschine auf der Kolbenführungsfläche 12 in Umfangsrichtung hin und her, solange er sich im Zylinderraum auf- und abbewegt

Der Kolben 10 hat eine zentrische Bohrung 13, die zum Zylinderraum 8 hin offen ist Von der Bohrung aus führt ein Verbindungskanal 15 durch den Kolbenschuh 11 und die Gleitscheibe 14 hindurch und mündet dort in eine Entlastungstasche 16. Die zentrisch angeordnete kreisförmige Entlastungstasche 16 wird von der an der Kolbenführungsfläche 12 satt anliegenden Dichtfläche 18 der Gleitscheibe 14 begrenzt. Rund um die im Kolbenschuh 11 für die Gleitscheibe 14 vorgesehene Ausnehmung ist im Kolbenschuh noch eine weitere Ausnehmung 19, jedoch von geringerer Tiefe vorgesehen; diese ist über Entlastungskanäle 20 mit dem Niederdruckbereich der Kolbenmaschine verbunden.

Der um die Ausnehmung 19 verbleibende und mit 21 bezeichnete Teil der Gleitfläche des Kolbenschuhs 11 ist die sogenannte Stützfläche.

Auf der Rückseite der Gleitscheibe 14 ist zwischen die Gleitscheibe und den Kolbenschuh Il ein Dichtring 25

ι-, derart eingespannt, daß zwischen dem Kolbenschuh 11 und der Gleitscheibe 14 ein Spalt 24 verbleibt. Für den Dichtring 25 ist auf der Rückseite der Gleitscheibe 14 eine Ringnut 27 eingearbeitet.

Beim Betrieb der Maschine wirkt der Betriebsdruck

jo auf die Unterseite 6 des Kolbens 10 und erzeugt die Kolbenkraft F*. Gleichzeitig wirkt der Betriebsdruck im Spalt 24 auf die Flache des Kolbenschuhs 11, die durch den äußeren Rand der den Dichtring 25 aufnehmenden Ringnut 27 begrenzt ist; dort erzeugt der Betriebsdruck j die Kolbenentlastungskraft Fek- Der Dichtring 25 ist so bemessen, daß die Kolbenentlastungskraft Fe>. geringfügig kleiner als die Kolbenkraft Fk ist. Desgleichen wirkt auf die Gleitscheibe eine Kraft, deren Größe der Kolbenentlastungskraft Fek entspricht. Dieser wirkt

J₀ entgegen eine durch die Druckkraft in der Entlastungstasche 16 und über der Dichtfläche 18 gebildete Gegenkraft Feg, die geringfügig kleiner ist als die Kraft Fek-Der in Fig.3 dargestellte Arbeitskolben unterscheidet sich von dem in den F i g. 1 und 2 im wesentlichen nur dadurch, daß die Gleitscheibe 34 die Form eines Kugelabschnittes aufweist. Dementsprechend ist auch die für die Gleitscheibe im Kolbenschuh vorgesehene Ausnehmung kugelförmig.

.in Die F i g. 4 zeigt eine andere Abwandlung des oben anhand der F i g. 1 und 2 ausführlich beschriebenen Arbeitskolbens. Der wesentliche Unterschied besteht darin, daß der Verbindungskanal 15 nur noch durch den Kolbenschuh 11 hindurch geführt ist, nicht jedoch durch die Gleitscheibe 44. Statt dessen sind im Bereich des Dichtringes 25 Kanäle 45 vorgesehen, die den nach wie vor zwischen Gleitscheibe 44 und Kolbenschuh U befindlichen Spalt 24 mit der Entlastungstasche 16 verbinden. Auf diese Weise gelangt die Arbeitsflüssigkeit auf dem Wege über den Kanal 15, den Spalt Ή und die Kanäle 45 in die Entlastungstasche 16. Dadurch wirkt der Spalt 24 in der oben beschriebenen Weise als VordrosseL Ein Vorteil dieser Anordnung gegenüber herkömmlichen Vordrosseln besteht darin, daß die Beweglichkeit der Gleitscheibe einen Selbstreinigungseffekt für den die Vordrossel bildenden Spalt 24 erwarten läßL

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Arbeitskolben für eine hydrostatische Kolbenmaschine, der in einem Zylinderraum hin und her bewegbar ist, wobei er sich mittels eines Kolbenschuhes und einer daran vorgesehenen Gleitfläche auf einer Kolbenführungsfläche abstützt, mit den folgenden weiteren Merkmalen: