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Einrichtung zur Zuführung von Druckmittel
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aus einem ortsfesten in ein rotierendes Bauteil Die Erfindung bezieht
sich auf eine Einrichtung zur Zuführung von Druckmittel aus einem ortsfest angeordneten
Bauteil in ein in dieses eingreifende rotierende Bauteil und ist insbesondere zur
Zuführung von Druckmedium in einen Hohlspannzylinder oder dgl. geeignet.
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Eine Druckmittel zuführung dieser Art ist durch das DE-GM 79 17 739
bekannt. Zur Überleitung des Druckmediums aus einem ortsfest angeordneten Zuführungsring
in eine in diesen eingreifende Nabe ist in diese ein zu einem Verbraucher führender
Kanal eingearbeitet, der an einen in dem Zuführungsring vorgesehenen umlaufenden
und mit der Zuführungsleitung verbundenen Ringkanal angeschlossen ist. Auf der gesamten
Umfangsfläche ist somit zwischen den beiden sich relativ
zueinander
bewegenden Bauteilen beidseitig des Ringkanals ein Dichtspalt vorhanden, aus dem
Druckmittel austritt.
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Und da die beiden Bauteile mit einem gewissen Spiel ineinander zu
lagern sind, um unumgängliche Ausdehnungen ausgleichen zu können, ist die Menge
des durch den Dichtspalt abströmenden Druckmittels erheblich. Es ist somit eine
hohe Pumpleistung erforderlich, um bei diesen bekannten Druckmittelzuführungseinrichtungen
die sehr hohen Leckverluste auszugleichen. Auch die Querschnitte der Zuführungs-
und Rückführungsleitungen sind entsprechend groß zu dimensionieren. Durch eine entsprechende
Bemessung der Bauteile in Achsrichtung, um einen längeren Dichtspalt zu erhalten,
können zwar die Leckverluste in einem gewissen Maße reduziert werden, dadurch baut
aber die Druckmittelzuführungseinrichtung groß und, bedingt durch die viskose Reibung,
ist eine starke Wärme belastung der Bauteile und des Druckmediums in Kauf zu nehmen.
Für rotierende Bauteile mit hoher Umfangsgeschwindigkeit ist daher diese bekannte
Druckmittelzuführungseinrichtung nicht verwendbar.
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Es ist demnach Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zur Zuführung
von Druckmittel aus einem ortsfest angeordneten Bauteil in ein in dieses eingreifende
rotierende Bauteil zu schaffen, bei der die Menge des aus dem Dichtspalt austretenden
Mediums gegenüber der bekannten Ausgestaltung äußerst gering ist, ohne daß dieser
zusätzlich abgedichtet wird. Vor allem soll erreicht werden, daß die Druckmittelzuführungseinrichtung
in Achsrichtung kurz baut, einfach in der konstruktiven Ausgestaltung ist und daß
eine zuverlässige Überleitung eines Druckmediums auch in ein mit hoher Geschwindigkeit
bewegtes Bauteil, ohne daß dabei eine hohe Wärmeentwicklung auftritt, gewährleistet
ist.
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Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß das ortsfeste
Bauteil mit einer Vielzahl von vorzugsweise radial gerichteten Zuführungskanälen
oder einer oder mehreren sich in Umfangsrichtung erstreckenden Verteilerkammern
versehen ist, die jeweils mit der Druckmittelzuführungsleitung verbunden sind, daß
das rotierende Bauteil eine sich in Umfangsrichtung erstreckende mit dem Verbraucher
verbundene Sammelkammer aufweist oder mit einer Vielzahl von vorzugsweise radial
gerichteten Kanälen versehen ist, die in einen in dieses eingearbeiteten gemeinsamen
an den Verbraucher angeschlossenen Sammelkanal münde#n, und daß die Teilung der
einzelnen Zuführungskanäle des ortsfesten Bauteils und die Länge der Sammelkammer
des rotierenden Bauteils auf dessen Umfang bzw. die Länge und die Anordnung der
Verteilerkammern des ortsfesten Bauteils auf dessen Umfang und der Winkelabstand
zwischen den Kanälen des rotierenden Bauteils derart aufeinander abgestimmt sind,
daß in jedem Betriebszustand der Druckmittelzuführungseinrichtung jeweils mindestens
eine Querschnittsfläche eines Zuführungskanals im Bereich der Sammelkammer bzw.
eines Kanals im Bereich einer Verteilerkammer liegt.
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Bei einer in dem ortsfest angeordneten Bauteil vorgesehenen Verteilerkammer
ist der Abstand zwischen zwei in dem rotierenden Bauteil eingearbeiteten Zuführungskanäle
im Mündungsbereich der Verteilerkammer jeweils derart zu wählen, daß dieser der
Länge der von dieser überdeckten Umfangsfläche entspricht.
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Bei zwei oder mehreren in dem ortsfesten Bauteil vorgesehenen Verteilerkammern
sind die Längen der von diesen überdeckten Umfangsflächen und der Teilungswinkel
zwischen den einzelnen in das rotierende Bauteil eingearbeiteten Zuführungskanäle
derart
aufeinander abzustimmen, daß jeweils eine der Verteilerkammern über mindestens einen
Zuführungskanal an den Sammelkanal angeschlossen ist.
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Nach einer Ausführungsvariante ist das ortsfeste Bauteil mit einem
an die Druckmittelzuführungsleitung angeschlossenen druckdichten Ringkanal zu versehen,
in den die mit der Sammelkammer zusammenwirkenden Zuführungsanäle münden.
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Hierbei ist es angebracht, das ortsfeste Bauteil aus zwei ineinander
angeordnetne Ringen zusammenzusetzen, die den Ringkanal einschließen, wobei dieser
in seiner Breite gleich oder größer bemessen sein sollte, als die Zufhrungskanlg
in ihrem Durchmesser bzw. in ihrer axialen Erstreckung.
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Nach einer anderen Ausgestaltung kann das rotierende Bauteil aus zwei
ineinander angeordneten Ringen zusammengesetzt werden, die den mit dem Verbraucher
verbundenen druckdichten Sammelkanal einschließen.
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Durch die Schaffung eines von dem Druckmittel beaufschlagten Ringraumes
in dem ortsfesten oder dem rotierenden Bauteil wird auf einfache Weise erreicht,
daß diese gegeneinander gepreßt und somit der Dichtspalt bei einer Druckmittelzuführung
proportional des Druckmitteldruckes verändert wird.
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Vorteilhaft ist es ferner, das ortsfeste Bauteil und/oder das rotierende
Bauteil im Bereich der den Dichtspalt begrenzenden Flächen mit offenen Freisparungen
zu versehen.
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Dadurch kann die Menge des abströmenden Druckmediums ggf.
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gesteuert und/oder es können die an der viskosen Reibung beteiligten
Flächen verkleinert werden.
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Die gemäß der Erfindung ausgebildete Einrichtung zur Zuführung von
Druckmedium aus einem feststehenden in ein rotierendes Bauteil ist nicht nur sehr
einfach in der konstruktiven Ausgestaltung und damit ohne Schwierigkeiten auf wirtschaftliche
Weise herzustellen, sondern diese Druckmittelzuführungseinrichtung ermöglich auch
eine Übertragung ohne daß hohe Leckverluste und eine starke Erwärmung der Bauteile
und des Druckmediums in Kauf genommen werden müssen.
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Werden nämlich das ortsfeste Bauteil mit Zuführungskanälen und das
rotierende Bauteil mit einer Sammelkammer versehen bzw. werden in das ortsfeste
Bauteil eine oder mehrere Verteilerkammern und in das rotierende Bauteil eine Vielzahl
von Kanälen sowie ein Sammelraum eingearbeitet, die sich in jedem Betriebszustand
überdecken, so daß stets eine Verbindung zwischen der Druckmittelquelle und dem
Verbraucher besteht, ist es möglich, den Bereich des Dichtspaltes, aus dem Druckmedium
austreten kann, sehr kurz zu halten.
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Bei der Ausgestaltung mit einer in das rotierende Bauteil eingearbeiteten
Sammelkammer strömt Druckmittel nur in deren Bereich und im Bereich eines jeden
Zuführungskanals seitlich ab, bei der Ausführungsform mit in dem ortsfesten Bauteil
vorgesehenen Verteilerkammern tritt das Druckmittel ebenfalls nur in deren Bereich
sowie im Bereich eines jeden Kanals in den Dichtspalt über. Und die Gesamtlängen
der Kammern sowie die gesamte Breite der Kanäle in Umfangsrichtung entsprechen nur
einem geringen Teil des Dichtspaltumfanges, so daß die durch diesen bedingten Leckverluste
bei der erfindungsgemäßen Druckmittelzuführungseinrichtung äußerst gering sind und
somit nur eine geringe Pumpleistung notwendig ist.
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Vor allem aber ist von Vorteil, daß die Dichtspalthöhe bei gleicher
Leckmenge größer als bei der bekannten Ausgestaltung gewählt werden kann, da durch
die viskose Reibung weder die Bauteile selbst noch das Druckmedium einer hohen Wärmebelastung
ausgesetzt sind. Die vorschlagsgemäß ausgebildete Druckmittelzuführungseinrichtung,
die klein baut, ohne Schwierigkeiten herzustellen ist und eine äußerst zuverlässige
Überleitung des Druckmediums gewährleistet, kann aufgrund dessen auch mit Erfolg
bei mit sehr hoher Relativgeschwindigkeit zueinander bewegten Bauteilen, bei denen
eine derartige Druckmittelübertragung bisher überhaupt nicht möglich war, eingesetzt
werden.
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Weitere Einzelheiten der gemäß der Erfindung ausgebildeten Einrichtung
zur Zuführung von Druckmittel aus einem ortsfesten in ein rotierendes Bauteil sind
den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen, die nachfolgend im einzelnen
erläutert sind, zu entnehmen. Hierbei zeigen: Fig. 1 einen Spannzylinder mit eingebauter
Druckmittelzurührungseinrichtung im Axialschnitt, Fig. 2 einen Schnitt nach der
Linie II - II der Fig. 1 durch eine der beiden nebeneinander angeordneten Druckmittelzuführungseinrichtungen,
Fig. 3 die Abwicklung des rotierenden Bauteils bei der Druckmittelzuführungseinrichtung
nach Fig. 1, Fig. 4 eine andersartige Druckmittelzuführungseinrichtung im axialschnitt,
Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie V - V der Fig. 4 und Fig. 6 eine weitere Ausführungsform
einer Druckmittelzuführungseinrichtung gemäß Fig. 4.
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Der in Fig. 1 dargestellte und mit 1 bezeichnete Spannzylinder besteht
aus einem zylinderförmig ausgebildeten Gehäuse 2, das durch einen Deckel 3 verschlossen
ist, sowie einen in dieses eingesetzten beidseitig von Druckmittel beaufschlagbaren
Kolben 4, dessen Kolbenstange 5 über ein nicht dargestelltes Verbindungsglied in
Form einer Zugstange, das beispielsweise in ein Gewinde 6 eingeschraubt werden kann,
mit einer Arbeitsvorrichtung, z. B. einem Spannfutter verbunden wird. Zur Zuführung
des Druckmediums in die beiden Druckräume 7 oder 8 dient jeweils eine der beiden
nebeneinander angeordneten Druckmittelzuführungseinrichtungen 11 und 11', mittels
denen eine Überleitung des Druckmediums aus einem ortsfest angeordneten Bauteil
12 in ein rotierendes Bauteil 13 ohne große Leckverluste zu bewerkstelligen ist.
Zur drehfesten Verbindung des Kolbens 4 mit dem ebenfalls rotierenden Gehäuse 2
sind an diesem beidseitig Zapfen 9 und 9' angeformt, die in in das Gehäuse 2 bzw.
den Gehäusedeckel 3 eingearbeitete Aufnahmebohrungen 10 bzw. 10' eingreifen.
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Das ortsfeste Bauteil 12 besteht bei den beiden Druckmittelzuführungseinrichtungen
11 aus zwei ineinander gesetzten, beispielsweise durch Aufschrumpfen fest miteinander
verbundenen Ringen 15 und 18, das rotierende Bauteil 13 dagegen ist als von dem
Gehäusedeckel 3 abstehende Nabe 2 ausgebildet, auf der mittels Wälzlager 28 der
Ring 15 drehbar gelagert ist. Die Druckmittelzuführungseinrichtungen 11 und 11'
sind hierbei von einem mit Kühlrippen 31 ausgestatteten Gehäuse 29 umgeben, das
einen Sammelraum 30 sowie einen Anschluß 32 für eine Abflußleitung aufweist.
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Um die Leckverluste des aus dem Dichtspalt 14 zwischen dem ortsfesten
Bauteil 12 bzw. dem Ring 18 und dem rotierenden Bauteil 13 bzw. der Nabe 23 ausströmende
Druckmittel möglichst gering zu halten, sind, wie dies im einzelnen der Fig. 2 zu
entnehmen ist, und zwar für die dem Druckraum 7 zugeordnete Druckmittelzuführungseinrichtung
11, in den Ring 18 mehrere Zuführungskanäle 19, 19', 19''... eingearbeitet, die
gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet und als raidal gerichtete Bohrungen
ausgebildet sind, und die Nabe 23 ist mit einer Sammelkammer 24 versehen, die mit
den Zuführungskanälen 19, 19', 19"... zusammenwirkt. Die Länge 1 der Sammelkammer
24 auf der Umfangsfläche der Nabe 23 sowie die Teilung t der Zuführungskanäle 19,
19', 191'...
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sind hierbei derart gewählt und aufeinander abgestimmt, daß in jeder
Betriebsstellung der Nabe 23 jeweils mindestens eine Querschnittsfläche eines Zuführungskanals
19, 19', 19''...
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im Bereich der Sammelkammer 24 liegt. Um die Leckmenge und eine einseitige
Lagerbelastung gering zu halten, sollte die Sammelkammer 24 in ihrer Umfangslänge
jedoch möglichst kurz sein.
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Durch Annahme der Anzahl der vorgesehenen Zuführungskanäle 19, 19',
19''... in dem Ring 18, bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wurden sechs Zuführungskanäle
gewählt, kann auf einfache Weise deren Teilungswinkel und mittels diesem die Länge
1 der Sammelkammer 24 in Umfangsrichtung bestimmt werden, da diese zumindest dem
dem Teilungswinkel t zugeordneten Bogenmaß entsprechen muß, damit jeweils ein Zuführungskanal
überdeckt wird.
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Zwischen den Ringen 15 und 18 ist ein Ringkanal 21 vorgesehen, über
den die Zuführungskanäle 19, 19', 19''... mit dem in den Ring 15 eingearbeiteten
Druckmittelanschluß 16 verbunden sind. Und da sich in dem Ringkanal 21 bei einer
Druckmittelzuführung in den Druckraum 7 des Spannzylinders 1 ein Druck
aufbaut,
wird der Ring 18 proportional zu diesem Druck in Richtung des Dichtspaltes 14 geringfügig
verformt, so daß dieser zusätzlich verkleinert wird. Über eine in die Nabe 23 sowie
den Gehäusedeckel 3 eingearbeitete Zuführungsleitung 26 steht die Sammelkammer 24
mit dem Druckraum 7 ständig in Verbindung.
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Die Druckmittelzuführungseinrichtung 11' für den Druckraum 8 ist in
gleicher Weise ausgebildet. Der Druckmittelanschluß 17 ist hierbei über einen Ringkanal
22 mit den in dem Ring 18 vorgesehenen Zuführungskanälen 20 verbunden, von denen
jeweils einer in die Sammelkammer 25 mündet, die über eine Zuführungsleitung 27
an den Druckraum 8 angeschlossen ist.
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Die Druckmittelüberleitung aus dem feststehenden Bauteil 12 in das
rotierende Bauteil 13 erfolgt somit in der Weise, daß bei einer Druckmittelzuführung
über den Anschluß 16 dieses in den Ringkanal 21 einströmt und von diesem in die
Zuführungskanäle 19, 19', 19''... übertritt. Und da jeweils einer dieser Zuführungskanäle
mit der Sammelkammer 24 in Verbindung steht, kann in jeder Betriebsstellung Druckmittel
über die Zuführungsleitung 26 in den Druckraum 7 gelangen. Die dabei in Kauf zu
nehmenden Leckerluste sind äußerst gering, da ein Abströmen in den Dichtspalt 14
nur im Bereich der Sammelkammer 24 sowei der einzelnen Zuführungskanäle 19, 19',
19''... möglich ist.
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Um die den Dichtspalt 14 begrenzenden Flächen des Ringes 18 sowie
der Nabe 23 zu verkleinern und dadurch deren Erwärmung sowie der Erhitzung des Druckmediums
entgegenzuwirken, können, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, in die Nabe 23 oder
auch den Ring 18 Freisparungen 33 und 34 eingearbeitet
werden,
die nach außen offen und somit an der viskosen Reibung nicht beteiligt sind.
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Bei dem Ausführungsbeispiel einer Druckmittelzuführungseinrichtung
41 nach den Fig. 4 und 5 besteht das ortsfeste Bauteil 42 aus einem Ring 45 und
das rotierende Bauteil 43 ist aus einer Hohlwelle 52 und einem auf diese aufgesetzten
Ring 53 gebildet. Mittels Wälzlager 58 ist die Hohlwelle 52 in dem Ring 45 drehbar
gelagert.
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Der Ring 45 des ortsfesten Bauteils 42 ist hierbei zur Druckmittelübertragung
mit zwei Verteilerkammern So und 51 ausgestattet, die mit in den Ring 53 eingearbeiteten
Kanälen 55, 55', 55''.. zusammenwirken. Die Verteilerkammer So ist über einen Anschluß
46 unmittelbar an eine Druckmittelzuführungsleitung 48 angeschlossen, die Verteilerkvamer
51 steht über einen Anschluß 47 und einer Zweigleitung 49 mit dieser in Verbindung.
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Die Kanäle 55, 55', 555'.. des Ringes 53 münden in einen Sammelkanal
56, der von diesem und der Hohlwelle 52 eingeschlossen ist und über einen Kanal
57 mit einem Verbraucher in Verbindung steht. Mittels Dichtungen 54 ist der Sammelkanal
56 abgedichtet.
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Die Längen a und b der von den Verteilerkammern So und 51 überdeckten
Umfangsflächen und der TeilungswinkelcC zwischen den einzelnen in dem Ring 53 eingearbeiteten
Kanälen 55, 55', 55'' ... sind bei diesem Ausführungsbeispiel derart aufeinander
abgestimmt, daß jeweils eine der Verteilerkammern So oder 51 über mindestens einen
Kanal 55, 55', 55'' ... an den Sammelkanal 56 angeschlossen ist.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 - hier ist nur eine der beiden
nebeneinander angeordneten Druckmittelzuführungseinrichtungen 41 mit Bezugsziffern
versehen - wurde beispielsweise ein Teilungswinkel OC von 300 und diesem entsprechende
Längen a und b der Verteilerkammern So und 51 gewählt. Bei einer Drehung des rotierenden
Bauteils 43 im Uhrzeigersinn ist somit zunächst, ausgehend von der dargestellten
Lage des Ringes 53, der Zuführungskanal 55 an die Verteilerkammer So angeschlossen.
Hat sich der Ring 53 um 30° verdreht, ist der Zuführungskanal 55' mit der Verteilerkammer
51 verbunden. Sobald der Ring 53 um weitere 300 verdreht wird, besteht eine Verbindung
zwischen dem Zuführungskanal 55'' und der Verteilerkammer 50. Ist dieser Kanal aus
dem Überdeckungsbereich dieser Kammer herausgedreht, verbindet der Kanal 55 " '
die Verteilerkanmer 51 mit dem Sammelkanal 56. Verläßt der Kanal 55 " ' aen Bereich
der Verteilerkammer 51, ist sofort der Kanal 55'''' an die Verteilerkammer So angeschlossen.
Und bei einer weiteren Drehung um 30° kommt der Kanal 55''''' in den Bereich der
Verteilerkammer 51. Anschließend wird der Kanal 55 an diese angeschlossen, so daß
auch in der zweiten Umdrehungshälfte eine in gleicher Weise ablaufende ständige
Verbindt:ng zwischen den Verteilerkammern So, 51 und den Sammelkanal 56 über die
Kanäle 55, 55', 55" ... gewährleistet ist.
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Die Kanäle 55, 55', 55'' ... sind somit in der Weise angeordnet, daß
einer dieser Kanäle immer mit einer der Verteilerkammern So oder 51 in Verbindung
steht. Der Zustrom des Druckmediums kann demnach nicht abreißen. Dennoch kann in
den Dichtspalt 44 zwischen dem ortsfesten Bauteil 42 und dem rotierenden Bauteil
43 nur eine geringe Leckmenge abströmen, da lediglich die beiden Verteilerkammern
So und 51 sowie jeweils die nicht mit diesen verbundenen Kanäle 55, 55', 55''...
an diesen angeschlossen sind. Und da sich in dem Sammelkanal 56 ein Druck aufbaut,
wird der Ring 53 sogar in Richtung des Dichtspaltes 44 erweitert und dieser in Abhängigkeit
von der Druckhöhe verkleinert.
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Die Anordnung und Länge der Verteilerkammern sowie der Kanäle kann
auf einfache Weise empirisch ermittelt werden, indem zunächst ein Teilungswinkel
oC , der eine ganzzahlige Anzahl an Kanälen ergibt, bestimmt wird. Sodann wird die
Anzahl und die Länge der Verteilerkammern, meist jeweils dem Bogenmaß des Winkels
oC über der Umfangsfläche des rotierenden Bauteils, festgelegt. Unter der Voraussetzung,
daß stets ein Kanal mit einer Verteilerkammer in Verbindung steht, kann daraufhin
die Lage der Kanäle festgelegt werden.
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Da durch die viskose Reibung in dem Dichtspalt 44 das Druckmedium
und/oder die Ringe 45 und 53 erhitzt werden können, können in diese Freisparungen
59 und/oder 60 eingearbeitet werden. Auf diese Weise wird die wirksame Dichtfläche
und somit die an der viskosen Reibung beteiligten Flächen verkleinert und kann den
jeweiligen Verhältnissen angepaßt werden.
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Bei der Druckmittelzuführungseinrichtung 61 nach Fig. 6 besteht das
ortsfeste Bauteil 62 wiederum aus einem Ring 65, das rotierende Bauteil 63 dagegen
aus den beiden miteinander verbundenen Ringen 68 und 69, die einen Sammelkanal 71
einschließen. Der Ring 65, der zusammen mit dem Ring 69 den Dichtspalt 64 begrenzt,
ist hierbei mit nur einer Verteilerkammer 67 ausgestattet, die über einen Anschluß
66 mit einer Druckmittelquelle in Verbindung steht.
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Die Länge a' der von der Verteilerkammer 67 überdeckten Fläche ist
entsprechend dem Abstand s zwischen dem einzelnen in den Ring 69 eingearbeiteten
Zuführungskanälen 70, 70' bestimmt.
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Das Druckmittel strömt bei diesem Ausführungsbeispiel somit von der
Verteilerkammer 67 über einen der mit dieser stets verbundenen Zuführungskanäle
70, 70', 7o'' ... in den Sammelkanal 71, der über eine Leitung 72 an einen Verbraucher
angeschlossen ist. Und in den Dichtspalt 64 tritt Druckmedium nur im Bereich der
Verteilerkammer 67 sowie der Zuführungskanäle 70, 70', 7o'' ... über, so daß die
Leckmenge wiederum sehr gering ist.
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L e e r s e i t e