DE3446134C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung richtet sich auf eine reversierbare hydrostatische Maschine gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1.

In einer hydrostatischen Maschine, z. B. in einem hydrostatischen Radialkolbenmotor, entstehen durch mechanische Reibung und Strömungsreibung Energieverluste, die sich in einer Erwärmung der Maschine bemerkbar machen. Darüber hinaus führen Druckverluste bei der Ausbildung von Leckströmen ent­ lang der verschiedenen Dichtspalte einer solchen Maschine zu einer Umwandlung von hydrostatischer Energie in Wärme. Die entstandene Wärme wird dann sowohl über das Maschinengehäuse an die Umgebungsluft abgestrahlt als auch über den Leckvolumen­ strom abtransportiert.

Obwohl die neuerdings im Einsatz befindlichen hydrosta­ tischen Maschinen schon sehr gute Wirkungsgrade aufweisen, was u. a. auf die Erzeugung einer nur geringen Verlustwärme zurückzuführen ist, wird die Einsatzgrenze dieser Maschinen - besonders im Dauerbetrieb und bei hohen Leistungen - im hohen Maße von der thermischen Belastbarkeit bestimmt. Kann nämlich die Wärme nicht mehr ausreichend abgeführt werden, so steigt die Temperatur innerhalb der Maschine auf unzulässig hohe Werte an. Die Folge solcher Temperaturerhöhungen sind un­ mittelbare Schäden an der Maschine, z. B. an den Dichtungen, sowie Schäden durch Schmierfilmzusammenbrüche oder durch Zerfall der Druckmitteladditivierung.

Desweiteren ist die Gefahr einer thermischen Überlastung dadurch verstärkt vorhanden, daß die Praxis immer kompaktere Geräte bei steigenden Leistungen fordert. Außerdem müssen solche Maschinen zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrads, eines guten Rundlaufs selbst bei kleinen Drehzahlen und guter Regeleigenschaften möglichst geringe Leckvolumenströme haben.

Es zählt zum Stand der Technik, bei Hochleistungsmaschinen Wärme in der Weise abzuführen, daß dem Leckölstrom über einen Spülanschluß ein gekühlter Spülvolumenstrom zugeführt und zusammen mit der angefallenen Leckage auch wieder abge­ führt wird. Diese Möglichkeit der Wärmeabfuhr hat sich zwar als wirkungsvoll erwiesen, sie ist aber außerordentlich aufwendig und damit kostspielig. Ein Grund hierfür ist das zusätzliche Kühlaggregat nebst Pumpe. Ein weiterer Grund ist die zusätzliche Leitung, welche zur Hochleistungsmaschine verlegt werden muß. Dadurch werden in vielen Einsatzfällen zusätz­ liche Probleme aufgeworfen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsge­ mäße reversierbare hydrostatische Maschine dahingehend zu verbessern, daß auf einfache Weise ein Volumenstrom zur Kühlung der Maschine bereitgestellt wird.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merk­ malen.

Kern der Erfindung bildet die Maßnahme, einen stets gleichbleibenden Volumenstrom von dem den jeweils geringeren Druck aufweisenden Druckanschluß (z. B. den Rück­ lauf eines Radialkolbenmotors) der Maschine abzuzweigen und der Maschine zur Kühlung zuzuführen. Da sich das Arbeits­ medium mit dem niedrigeren Druck auf einem dann auch niedri­ geren energetischen Niveau befindet, treten bei den meisten Schaltungsanordnungen von hydrostatischen Maschinen, insbe­ sondere hydrostatischen Motoren, wie z. B. Radialkolbenmoto­ ren, die Nachteile einer erhöhten Leckage (Verschlechterung des Wirkungsgrads, erhöhte Verlustwärme, schlechterer Gleich­ lauf) nicht mehr auf. Bei der Mehrzahl der hydraulischen Schaltungsanordnungen befindet sich einer der beiden Druckan­ schlüsse stets auf einem niedrigen Druckniveau. Solche Schal­ tungsanordnungen sind: "offener Kreislauf", "geschlossener Kreislauf" und "Zuflußsteuerung von Hydromotoren". Weil der Volumenstrom zur Kühlung immer vom Anschluß mit dem niedrigeren Druckniveau abgezweigt wird, ergeben sich bei der erfindungsgemäßen Anordnung nicht die Nachteile, mit denen bei einer Entnahme des notwendigen Kühlmittelstroms aus der Hochdruckseite zu rechnen wäre: Ver­ schlechterung des Wirkungsgrads, erhöhte Verlustwärme, schlechter Gleichlauf.

Bei der Anordnung nach der Erfindung handelt es sich im Prinzip um ein hydraulisch schaltbares 3/3-Wegeventil mit nachgeschaltetem integrierten Stromregelventil. Hierbei sind die Schaltflächen stirnseitig des Kolbens ständig mit dem Druck des mit ihnen jeweils verbundenen Druckanschlusses beaufschlagt. Sind die Drücke an den Druckanschlüssen gleich groß oder herrscht Drucklosigkeit, so wird der Kolben in der Neutralstellung gehalten. Dies hat im praktischen Einsatz den Vorteil, daß ruckartige Drehzahlveränderungen beim Anfah­ ren oder beim Wechsel der Betriebsquadranten zuverlässig verhindert werden. Führt jedoch einer der beiden Druckan­ schlüsse einen höheren Druck, so wird der Kolben gegen die elastische Rückstellkraft einer stirnseitig angeordneten Feder verlagert und verbindet den Druckanschluß mit dem niedrigeren Druck mit dem durch die beiden Federräume sowie durch das zwischen Federn zentrierte Schließglied gebildete Stromregelventil.

Ruckartige Drehzahlveränderungen eines Hydromotors entstehen immer dann, wenn auch der unter Hochdruck stehende Volumen­ strom eine plötzliche Änderung erfährt. Das wäre immer dann der Fall, wenn zusätzliche Druckmittelverbraucher, z. B. über Ventile, zu- oder abgeschaltet werden. Das erfindungs­ gemäße 3/3-Wegeventil weist diesen Nachteil für die oben genannten Schaltungen nicht auf, weil es nie eine Schaltver­ bindung zwischen Hochdruckleitung und Kühlleitung herstellt oder unterbricht.

Dies gilt auch bei Wechsel des Betriebsquadranten also Drehrichtungswechsel oder Wechsel motorisch-generatorisch bzw. umgekehrt. In diesen Fällen wird zunächst eine federzen­ trierte Mittelstellung des erfindungsgemäßen 3/3-Wegeventils angefahren, wobei der aus der Niederdruckseite gespeiste Volumenstrom abgeschaltet wird. Erst nachdem Hoch- und Nie­ derdruckseite gewechselt haben, schaltet das 3/3-Wegeventil erneut - diesmal in die andere Schaltstellung - und verbindet dabei den jetzt mit Niederdruck belasteten Anschluß (vorher: Hochdruckanschluß) mit dem Kühlvolumenstrom-Anschluß.

In der Neutralstellung des Kolbens ist die Ableitung aus dem Verbindungskanal durch das Schließglied gesperrt. Ist aber der Kolben verlagert worden, hat auch das von der Einschnürung getragene federzentrierte Schließglied seine ur­ sprüngliche Stellung in Richtung auf den Druckanschluß mit dem niedrigeren Druck verlassen. Sobald jetzt das Medium von dem Druckanschluß mit dem niedrigeren Druck in den bei ver­ lagertem Kolben mit diesem Druckanschluß verbundenen Feder­ raum strömt, kommt es zu einer Druckdifferenz am Schließglied, wodurch dieses gegen die Kräfte der zentrierenden Federn axial verlagert wird. Dabei wird der Abflußquerschnitt der Ableitung zunehmend verkleinert, so daß sich auch in dem mit der Ablei­ tung verbundenen Federraum ein zunächst größer werdender Druck aufbaut. Mit der Zeit regelt sich das Schließglied jedoch auf eine Position ein, bei der der abfließende Volumenstrom unabhän­ gig vom Druck an dem den niedrigeren Druck aufweisenden Druck­ anschluß einen nahezu konstanten Wert hat. Es findet somit ein Regelvorgang wie bei einem konventionellen Stromregelventil statt. Dabei kann der durchgesetzte Volumenstrom durch die Ab­ stimmung der Federn, der Öffnungsquerschnitte und der Dimen­ sionierung des hydraulischen Widerstands weitgehend beeinflußt werden.

Eine besonders einfache und zuverlässig zu dimensio­ nierende Ventilanordnung ergibt sich unter Verwendung der Merkmale des Anspruchs 2. Es ist lediglich sicherzustellen, daß das Schließglied im Verbindungskanal einwandfrei gleiten kann.

Im Rahmen der Gestaltung als Schieberventil kann durch Anordnung von Ringbunden stirnseitig der Kolbenköpfe Sorge dafür getragen werden, daß die Schaltflächen ständig, d. h. in allen Ventilstellungen von dem Druck an dem ihnen jeweilig zugeordneten Druckanschluß beaufschlagt werden (Anspruch 3).

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform besteht in den Merkmalen des Anspruchs 4. Bei diesen Verbindungsbohrungen kann es sich um Querbohrungen in den Kolbenköpfen sowie um axiale Stichbohrungen zwischen den Querbohrungen und den Schaltflächen handeln. Der Vorteil dieser Bauart liegt darin, daß der Kolben in allen Positionen frei von hydrostatischen Kräften quer zur Bewegungsachse ist, die eine erhöhte Reibung des Kolbens in dem Verbindungskanal zur Folge haben könnten.

In der Ausführungsform als Sitzventil sind die Merk­ male des Anspruchs 5 von Vorteil. In den Stutzen sind Längs­ bohrungen vorgesehen, welche über Querbohrungen mit den Feder­ räumen und mit Druckräumen stirnseitig der Schließkörper in Verbindung stehen. Die Ringflächen der Kolbenköpfe umfangs­ seitig der stutzenartigen Verlängerungen stehen dann über Kanäle mit den Druckanschlüssen in Verbindung.

Besonders zweckmäßig sind in diesem Zusammenhang die Merkmale des Anspruchs 6. Wird in diesem Fall der Kolben ver­ lagert, so drückt er den Schließkörper von seinem Dichtsitz, der von dem den niedrigeren Druck führenden Druckanschluß be­ aufschlagt wird. Dieser Druck kann nun am Schließkörper vorbei sowie durch den angrenzenden Stutzen in den Federraum ein­ treten und über den hydraulischen Widerstand am Schließglied in die Ableitung gelangen.

Eine problemlose Montage einer Ventilanordnung ist dann gegeben, wenn nach Anspruch 7 der Kolben aus zwei im etwa mittleren Längenbereich aneinander zentrierten Längenab­ schnitten gebildet wird. Die Längenabschnitte brauchen nur ineinandergesteckt zu werden, um eine radiale Auslenkung zu unterbinden.

Die erfindungsgemäße Ventilanordnung kann problemlos insbesondere im Bereich der Steuerung eines hydraulisch beaufschlagbaren Radialkolbenmotors integriert werden. Dazu ist es lediglich erforderlich, die Druckanschlüsse des Radial­ kolbenmotors ständig mit den Schaltflächen des Ventilkolbens zu verbinden.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 im vertikalen Längsschnitt den steuerungsseitigen Endabschnitt eines hydrostatischen Radialkolben­ motors;

Fig. 2 eine Ansicht auf den Radialkolbenmotor der Fig. 1 in Richtung des Pfeils II, teilweise im Schnitt und

Fig. 3 bis 5 in vergrößerter Darstellung im vertikalen Längs­ schnitt drei Ausführungsformen von bei der Steuerung des Radialkolbenmotors der Fig. 1 zur Anwendung gelangenden Ventilanordnungen zum Kühlen des Leck­ öls und damit des Radialkolbenmotors.

In der Fig. 1 ist mit 1 das Gehäuse eines hydrosta­ tischen Radialkolbenmotors bezeichnet. In dem Gehäuse 1 ist in Lagern 2 eine Motorwelle 3 abgstützt. Endseitig der Motorwelle 3 ist ein Mehrkant 4 vorgesehen, auf dem eine Ex­ zenterscheibe 5 mit Durchbrechungen 6 befestigt ist. Die Ex­ zenterscheibe 5 stützt sich einmal an einer Steuerscheibe 7 mit Kanälen 8 zu den Arbeitszylindern und zum anderen an einem zylinderartigen Druckstück 9 ab, welches gegenüber dem Ge­ häusedeckel 10 über eine Schraubendruckfeder 11 abgestützt ist.

Umfangsseitig der Exzenterscheibe 5 ist ein Wälz­ lager 12 vorgesehen. Das Wälzlager 12 liegt innenseitig eines sich an der Steuerscheibe 7 abstützenden Rings 13. Umfangsseitig dieses Rings 13 ist ein weiterer, durch das Arbeitsmedium distanzierter Ring 14 vorgesehen, der sich an einem Druckblock 15 im Gehäuse 1 abstützt. Mit 16 und 17 sind Druckanschlüsse für das hydraulische Arbeitsmedium bezeichnet.

Wie bei gemeinsamer Betrachtung der Fig. 1 und 2 erkennbar wird, ist eine Kühlventilanordnung 18 durch den Ge­ häusedeckel 10 am Druckblock 15 gehalten. Die Verbindung zwi­ schen dem Gehäusedeckel 10 und dem Druckblock 15 erfolgt über Schrauben 19.

Die Kühlventilanordnung 18 steht über Kanäle 20, 21 mit den Druckanschlüssen 16, 17 in Verbindung. Sie dient dazu, einen annähernd stets gleichen Volumenstrom aus dem Rücklauf­ anschluß des Motors (16, 17 je nach Motordrehrichtung) abzu­ zweigen und dem Leckraum 22 zur Kühlung zuzuführen.

Bei den in den Fig. 3 bis 5 veranschaulichten Kühlventilanordnungen 18′, 18′′, 18′′′ ist jeweils ein Verbin­ dungskanal 23 zwischen den zu den Druckanschlüssen 16, 17 führenden Kanälen 20, 21 in einem Ventilgehäuse 24 vorgesehen.

Der Verbindungskanal 23 ist endseitig durch Stopfen 25, 26 verschlossen. Die Stopfen 25, 26 sind in Gewindeabschnitte des Verbindungskanals 23 eingedreht und entsprechend abge­ dichtet. In der Ausführungsform nach Fig. 2 und 4 stützen sich die Stopfen 25, 26 in axialer Richtung gegen den Ge­ häusedeckel 10 ab.

Bei der Ausführungsform der Fig. 3 ist in dem Ver­ bindungskanal 23 ein Kolben 27 gleitend gelagert. Der Kolben 27 stützt sich über Druckfedern 28 an den Stopfen 25, 26 ab und ist auf diese Weise im drucklosen Zustand mittenzentriert. Stirnseitig der Kolbenköpfe 29, 30 befinden sich Druckräume 31, 32, welche mit den Kanälen 20, 21 ständig verbunden sind. Zu diesem Zweck sind an den Schaltflächen 33, 34 der Kolben­ köpfe 29, 30 Ringbunde 35, 36 angeordnet, die auch bei Anlage an den Stopfen 25, 26 eine Verbindung der Kanäle 20, 21 mit den Druckräumen 31, 32 gewährleisten.

Zwischen den Kolbenköpfen 29, 30 weist der Kolben 27 eine Einschnürung 37 auf. Die Einschnürung 37 trägt ein ring­ förmiges Schließglied 38, das durch Federn 39, 40, die sich an den Kolbenköpfen 29, 30 abstützen, mittig zentriert ist. Das Schließglied 38 kann an der Wandung 41 des Verbindungskanals 23 gleiten. In der gezeichneten Neutralstellung sperrt das Schließ­ glied 38 die Ableitung 42 zum Leckraum 22 (siehe auch Fig. 1 und 2).

Zwischen dem Umfang 43 der Einschnürung 37 und dem Schließglied 38 ist ein hydraulischer Widerstand in Form einer Ringspaltdrossel 44 vorgesehen.

Der Kolben 27 besteht aus zwei Längenabschnitten 45, 46, die im etwa mittleren Längenbereich nut- und zapfenartig zentriert sind. Hierdurch wird die Montage des Schließglieds 38 sowie der Federn 39 und 40 erleichtert bzw. überhaupt erst ermöglicht.

Steht beispielsweise am Druckanschluß 16 im Vergleich zum Druckanschluß 17 der höhere Druck an, so wird der Kolben 27 so weit nach rechts verlagert, bis der Ringbund 36 am Stopfen 26 zur Anlage gelangt. Bei dieser Verlagerung bleibt das Schließglied 38 zunächst aufgrund der Zentrierung durch die Federn 39, 40 in der Mittelstellung. Der Federraum 47 wird mit der Ableitung 42 verbunden. Der Federraum 48 bleibt durch das Schließglied 38 von der Ableitung 42 getrennt.

Wird nun der Kanal 21 mit dem hier anstehenden nie­ drigeren Druck mit dem Federraum 48 verbunden, bildet sich am Schließglied 38 eine Druckdifferenz, weil Druckmittel aus dem zunächst nicht beaufschlagten Federraum 47 frei in die Ab­ leitung 42 strömen kann. Die Druckdifferenz bewirkt aber eine Verlagerung des Schließglieds 38 gegen die Kraft der zentrie­ renden Federn 39, 40. Gleichzeitig tritt das Arbeitsmedium über den Ringdrosselspalt 44 aus dem Federraum 48 in den Federraum 47 über. Aufgrund der Druckdifferenz wird der Ab­ flußquerschnitt der Ableitung 42 zunehmend verkleinert, da sich auch in dem mit der Ableitung 42 verbundenen Federraum 47 ein zunächst größer werdender Druck aufbaut. Das Schließglied 38 regelt sich schließlich auf eine Position ein, in welcher der aus der Ableitung 42 abfließende Volumenstrom unabhängig vom Druck in dem Rücklaufanschluß 17 einen nahezu konstanten Wert hat.

Bei der Ausführungsform der Fig. 4 sind in den Kolbenköpfen 29′, 30′ des ebenfalls zweiteiligen Kolbens 27′ Querbohrungen 49 und axiale Stichbohrungen 50 vorgesehen. Auf diese Weise gelangt das Arbeitsmedium aus den Kanälen 20, 21 über die Querbohrungen 49 und die Stichbohrungen 50 auf die stirnseitigen Schaltflächen 33, 34 der Kolbenköpfe 29′, 30′. Diese Maßnahme dient dem Zweck, daß der Kolben 27′ in allen Positionen frei von hydrostatischen Kräften quer zur Be­ wegungsachse ist, die eine erhöhte Reibung des Kolbens 27′ in dem Verbindungskanal 23 zur Folge haben könnten.

Ansonsten entspricht der Aufbau der Kühlventilanord­ nung 18′′ der Fig. 4 und deren Funktion derjenigen der Fig. 3.

In der Fig. 5 ist eine Ausführungsform veranschau­ licht, bei welcher die Kolbenköpfe 29′′, 30′′ mit hohlen, an die Federräume 47, 48 angeschlossenen stutzenartigen Verlängerungen 51 an kugelförmigen, federbeaufschlagten Schließkörpern 52 anliegen. Die Schließkörper 52 sind in Buchsen 53 mit Dicht­ sitzen 54 geführt. Federn 55 drücken die Schließkörper 52 an die Dichtsitze 54.

Wird bei dieser Dichtsitzventilausführung der Kolben 27′′ nach rechts verlagert, so wird der Schließkörper 52 von seinem Dichtsitz 54 abgehoben, so daß das Arbeitsmedium aus dem Kanal 21 umfangsseitig der Buchse 53 über die Radialboh­ rungen 56 in die Buchse 53 und von hier aus durch den Stutzen 51 mit Längsbohrungen 57 und Querbohrungen 58, 59 in den Federraum 48 übertreten kann. Die anschließende Verlagerung des Schließ­ glieds 38 erfolgt dann entsprechend dem anhand der Fig. 3 geschilderten Funktionsablauf.

Es ist in Fig. 5 noch zu erkennen, daß die Kolben­ köpfe 29′′, 30′′ durch Dichtungen 60 gegenüber dem Ventilgehäuse 24 und die Stutzen 51 durch Dichtungen 61 gegenüber den Buchsen 53 abgedichtet sind.

Claims (7)

1. Reversierbare hydrostatische Maschine, insbesondere hydrostatischer Motor, mit zwei Anschlüssen zur Zu- bzw. Ab­ fuhr des hydraulischen Arbeitsmediums, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in einem Verbindungskanal (23) zwischen den beiden Druckanschlüssen (16, 17) ein von dem je­ weils höheren Druck gegen die elastische Rückstellkraft einer Feder (28, 55) verlagerbarer Kolben (27, 27′, 27′′) mit einer zwischen den endseitigen Kolbenköpfen (29, 30; 29′, 30′; 29′′, 30′′) befindlichen Einschnürung (37) angeordnet ist, die ein im Bereich einer an den Verbindungskanal (23) angeschlossenen Ableitung (42) zwischen Federn (39, 40) zentriertes, sich an der Kanalwandung (41) gleitend abstützendes Schließglied (38) trägt, wobei die von dem Kolben (27, 27′, 27′′), der Kanal­ wandung (41) und dem Schließglied (38) begrenzten Federräume (47, 48) durch einen hydraulischen Widerstand (44) medium­ leitend verbunden sind.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Schließglied (38) ring­ förmig ausgebildet und der hydraulische Widerstand (44) als Ringspaltdrossel zwischen dem Schließglied (38) und dem Um­ fang (43) der Einschnürung (37) gestaltet ist.

3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß stirnseitig des Kolbens (27) Ringbunde (35, 36) vorgesehen sind.

4. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltflächen (33, 34) der Kolbenköpfe (29′, 30′) über Verbindungsbohrungen (49, 50) in den Kolbenköpfen (29′, 30′) beaufschlagbar sind.

5. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenköpfe (29′′, 30′′) mit hohlen, an die Federräume (47, 48) angeschlossenen stutzen­ artigen Verlängerungen (51) an federbeaufschlagten Schließ­ körpern (52 ) anliegen.

6. Maschine nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die kugelförmig gestalteten Schließkörper (52) in Buchsen (53) mit Dichtsitzen (54) ge­ führt sind.

7. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Kolben (27, 27′, 27′′) aus zwei im etwa mittleren Längenbereich an­ einander zentrierten Längenabschnitten (45, 46) gebildet wird.