DE3812363A1 - Hydrostatische drehdurchfuehrung mit integriertem ausgleichelement - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine hydrostatische Drehdurchführung mit inverser Spaltregelung zur Ab- oder Zuführung von Druckmedien von einem stehenden in ein rotierendes Maschinenteil mit mindest einem axial gegen­ einander verschiebbaren Gleitring und Gegenlaufring.

Bei einer Drehdurchführung, wie sie beispielsweise aus "Thoma, J., Ein­ führung in die Ölhydraulik und die hydraulische Systemtechnik, Girardet Taschenbuch 18 (1973)" bekannt ist, besteht bei bestimmten Betriebszu­ ständen die Gefahr, daß die relativ zueinander bewegten Teile mechanisch gegeneinander anlaufen, weil der Gleichgewichtszustand zwischen Haupt­ und Zwischendruck gestört wird. Als besonders kritisch haben sich hier­ für schnelle Druckänderungen, insbesondere Druckminderungen im Haupt­ druckbereich erwiesen. Dies hat zur Folge, daß sich der für die Aufrecht­ erhaltung konstanter Spalthöhen, d.h. der für eine viskose Reibung zwischen den bewegten Teilen verantwortliche Zwischendruck, infolge der geometrisch begrenzten Spalthöhen nur zeitverzögert dem niedrigen Hauptdruck anpassen kann. Je nach Zeitverlauf und Größe der Hauptdruckänderung führt dies einmal zu einer erheblichen Störung im Gleichgewicht des Systems, und zum anderen zur mechanischen Berührung der Bauteile. Ein mechanischer Kontakt bedeutet aber unzulässige Reibung, Erwärmung und Verschleiß mit den Auswirkungen erhöhter Leckagen und u.U. zum Ausfall des Systems.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Drehdurchführung mit inverser Spaltregelung so zu verbessern, daß auch bei periodisch oder stochastisch auftretenden Änderungen des Hauptdruckes die Funktionssicherheit des Systems gewährleistet ist.

Die Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich durch eine sekundär Beein­ flussung bzw. Entlastung des Zwischendruckes in Abhängigkeit des Ver­ hältnisses zwischen Hauptdruck und Zwischendruck, wobei zwischen Haupt­ druckraum und Zwischendruckraum eine Ausgleichseinrichtung angeordnet bzw. integriert ist. Durch diese einfache Maßnahme wird in wirkungsvoller Weise erreicht, daß sich die inverse Spaltregelung mit entsprechend hoher Dynamik bei einer schnellen Druckänderung den neuen Druckverhältnissen anpaßt d.h., daß sich bei einer schnellen bzw. augenblicklichen Hauptdruckreduzierung, wie sie beispielsweise bei Schaltvorgängen in hydraulischen Anlagen üblicher­ weise auftreten, der Zwischendruck sich entsprechend schnell und sicher auf die für die Aufrechterhaltung des Kräftegleichgewichts notwendigen Verhält­ nisse zwischen Haupt- und Zwischendruck einregelt. Hierdurch wird wirkungs­ voll eine mechanische Berührung der Bauteile mit den nachteiligen Folgen einer Reibmomenterhöhung und Verschleiß bei derartigen Betriebsbedingungen vermieden.

Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, daß in einer Verbindungsleitung ein auf Druck reagierendes Ventil derart angesteuert wird, daß ein Durchfluß nur vom Zwischendruckraum in Richtung Leckraum oder Hauptdruckraum in Abhängig­ keit des Verhältnisses von Hauptdruck und Zwischendruck erfolgen kann, wobei der Durchfluß in umgekehrter Richtung gesperrt ist. Das Ventil ist vorzugs­ weise im stehenden Bauteil, d.h. im Gegenlaufring eingesetzt.

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen hydrostatischen Drehdurchführung werden nachfolgend beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ersatzschaltbild der Spaltregelung gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 1a ein sich aus der Spaltregelung gemäß Fig. 1 ergebendes Diagramm;

Fig. 2 ein Ersatzschaltbild der Spaltregelung gem. der Erfindung;

Fig. 2a eine Ventilanordnung mit Durchfluß in Richtung Hauptdruckraum;

Fig. 2b eine Ventilanordnung mit Durchfluß in Richtung Leckraum;

Fig. 2c ein sich aus der Spaltregelung gemäß Fig. 2 ergebendes Diagramm;

Fig. 3 eine Drehdurchführung mit inverser Spaltregelung und

erfindungsgemäßer Anordnung des Ausgleichselements.

Bei dem Ersatzschaltbild gem. Fig. 1 handelt es sich um ein Brücken- Halbglied mit zwei aktiven im Gegensinn veränderlichen Widerständen und es stellt somit die eine Hälfte einer Vollbrücke mit vier aktiven Widerständen dar. Diese Schaltungsart hat ihren Einsatz bei verlustarmen Drehdurchführungen gefunden, bei denen die erwähnten Widerstände zwei Spalten sind und einen selbsteinstellenden Regelmechanismus darstellen. Fig. 1 zeigt somit das Ersatzschaltbild einer Spaltregelung, wie sie bei den bekannten Drehdurchführungen eingesetzt wird. Bezogen auf eine Dreh­ durchführung bedeutet der Zylinderkolben 1 den Gleitring (siehe Fig. 3) und der Kraftzylinder 2 den Gegenlaufring 9 wobei die Seite 3 des Zylinder­ kolbens 1 durch den Hauptdruck Pa und die andere Seite 4 durch den Zwischen­ druck Pc beaufschlagt wird. Wie dem Ersatzschaltbild Fig. 1 weiter zu ent­ nehmen ist, sind die Spalte bzw. Drosseln S, S ₁ und S ₂ (in Fig. 3 Arbeits­ drosselspalte 16′, 16, 17) so angeordnet, daß beim Schließen des Spaltes S ₂ gleichzeitig die Spalte S ₁ und S geöffnet werden oder umgekehrt. Die Spalte S, S ₁ und S ₂ bzw. Drosseln teilen auf diese Weise den Hauptdruck Pa so ein, daß die durch den Zwischendruck Pc entstehende Druckkraft Fc und die Hauptdruckkraft Fa der Kolben 1 bzw. der Gleitring 10 in einer stabilen Lage zwischen den jeweiligen Endpositionen des Kraftzylinders 2 bzw. den aus den Teilen 11, 12 und 13 bestehenden Gegenlaufring 9 ge­ halten wird. Die obigen Ausführungen bedeuten bezogen auf eine Drehdurch­ führung, daß im Normalbetrieb keine mechanische Berührung zwischen den gegeneinander umlaufend bewegten Teilen möglich ist und somit ausschließ­ lich eine viskose Reibung vorhanden ist.

Bei bestimmten Betriebsbedingungen jedoch (Fig. 1a) - und zwar bei raschem Abbau des Hauptdrucks Pa (Linie A) - baut sich der Zwischendruck Pc (Linie C) infolge der Öffnungscharakteristik der Drosseln bei den bisher bekannten Systemen nicht schnell genug ab. Infolgedessen schiebt die verbleibende Restkraft der Zwischendruckkraft Fc den Kolben 1 bzw. den Gleitring 10 in seine Endlage, (in Fig. 1 als Kolben 1′ bzw. 10′ gestrichelt dargestellt). Das hydrostatische Gleichgewicht ist somit nachhaltig gestört und die sich gegeneinander umlaufenden Bauteile laufen mechanisch an, was im Extremfall zum Klemmen führt. Die Störung des hydrostatischen Gleichgewichts bewirkt, wie die Linie B in Fig. 1a zeigt, augenblicklich einen unverhältnismäßig hohen Anstieg des Drehmoments M _R mit all den sich darsus ergebenden Nach­ teilen, wie z.B. erhöhte Wärmeentwicklung durch Reibung, Verschleiß und

sich daraus ergebenden erhöhten Leckagen.

Die Lösung der vorstehend genannten Nachteile zeigt das Ersatzschaltbild gem. Fig. 2. Wie die Darstellung zeigt, ist eine Verbindung 5 zwischen Hauptdruck Pa und Zwischendruck Pc vorgesehen, wobei aber durch ein Ventil 6 der direkte Durchfluß vom Hauptdruck Pa zum Zwischendruck Pc gesperrt ist. Sobald der Zwischendruck Pc größer ist als der Hauptdruck Pa, öffnet das Rückschlagventil 6 a (Fig. 2a) die Verbindung 5 vom Zwischen­ druck Pc zum Hauptdruck Pa bzw. zum Hauptdruckraum bzw. Hauptdruckbohrung 21 (Fig. 3), was zu einem sofortigen Abbau des Zwischendrucks Pc führt. D.h., der Druck im Zwischendruckraum 18, 19 Fig. 3) wird zumindest auf den neuen Hauptdruck angepaßt und im Extremfall vollständig abgebaut. In Bezug auf das Diagramm gem. Fig. 2c bedeutet dies: In dem Moment, wenn der Hauptdruck Pa (Linie A) rapide abfällt, öffnet sich das Rückschlagventil 6 a sobald der Hauptdruck Pa das Niveau des Zwischendrucks Pc (Linie C) erreicht bzw. unterschritten hat. Weil damit der Zwischendruck Pc entsprechend schnell dem Verlauf des Hauptdruckes folgt, tritt auch keine Erhöhung des Dreh­ momentes M _R (Linie B) auf.

Fig. 3 zeigt eine Drehdurchführung mit einer Verbindungsleitung 5 in welche ein Ventil 6, entsprechend der schematischen Darstellung in Fig. 2, bei­ spielsweise ein Rückschlagventil 6 a gem. Fig. 2a. Die Drehdurchführung be­ steht im wesentlichen aus dem dreiteiligen Gegenlaufring 9 und dem ein­ teiligen Gleitring 10. Die dreiteilige Ausführungsform des Gegenlaufringes 9 ist nur beispielhaft und aus fertigungstechnischen Gründen gewählt. Bei einer geeigneten Fertigungsmethode durch die die notwendige Planparallelität gewährleistet ist, kann selbstverständlich der Gegenlaufring 9 auch zwei­ stückig sein. Der Gegenlaufring 9 besteht aus den Teilen 11, 12 und dem Distanzring 13. Der einstückige Gleitring 10 und der Gegenlaufring 9 werden jeweils über elastische Dichtungen 14, 15 mit dem Gehäuse 8 bzw. der Welle 7 drehmomentübertragend und dichtend verbunden. Der Gegenlauf­ ring 9 wird nur durch einen einzigen Schraubenkranz 27 (oder anderen äquivalenten Mittel) zusammengehalten. Die elastischen Dichtungen 14, 15 erlauben dem Gleitring 10 ein geringes axiales Spiel und Taumeln zwischen den Gegenlaufringteilen 11 bzw. 12. Axial wird der Gegenlaufring 9 durch Anschläge bzw. Seegeringe 29, 30 fixiert. Zwischen dem Seegering 29 und dem Teil 12 des Gegenlaufrings 9 ist ein elastisches Federelement 31 ange­ ordnet. Der Gegenlaufring 9 steht durch diese Anordnung unter leichter Vorspannung und erhält ein geringes Axialspiel.

Wie Fig. 3 weiterhin zeigt, ist zwischen dem Gleitring 10 und den Gegen­ laufringteilen 11 und 12 je ein Arbeitsdrosselspalt 16 (druckseitiger Spalt) und 17 (leckseitiger Spalt) vorgesehen. Die sich axial gegen­ überliegende Arbeitsdrosselspalte 16, 17 sind über die Zwischendruck­ räume 18, 19 d.h. den Ringspalt 18 und der Zwischendrucknut 19 miteinander verbunden.

Funktions- und Arbeitsweise der Drehdurchführung gem. Fig. 3 ist wie folgt: Das Druckmedium gelangt von der Druckquelle 33 radial durch die Bohrung 20 (Zulauf für den Hauptflüssigkeitsstrom) in die im Gegenlaufringteil 11 aus­ gebildete Hauptdruckbohrung 21 dann axial in die Ringnut 22 und von dort über die Verbindungsleitung 23 in die Sackbohrung 24 des Gleitringes 10, anschließend durch die radiale Bohrung 25 der Welle 7 in die axiale Wellen­ bohrung 26 zum Verbraucher. Sobald die Drehdurchführung durch das Medium beaufschlagt ist, bilden die Arbeitsdrosselspalte 16, 17 einen Druckteiler, der zum Aufbau eines Zwischendruckes Pc im Ringspalt 18 und in der Zwischen­ drucknut 19 führt.

Im Distanzring 13 sowie im Teil 11 des Gegenlaufringes 9 ist die bereits im Zusammenhang mit Fig. 2 erwähnte Verbindungsleitung 5 ausgebildet, welche die Hauptdruckbohrung 21 mit dem Ringkanal 18 bzw. der Zwischendrucknut 19 verbindet. Das Auslgeichselement, dargestellt als Rückschlagventil 6 a, be­ findet sich ebenfalls im Distanzring 13. Bei Beaufschlagung durch das Druckmedium bilden die Arbeitsdrosselspalte 16, 17 (in den Ersatzschalt­ bildern S ₁ und S ₂) den bereits erwähnten Druckteiler d.h., der Hauptdruck Pa wird so geteilt, daß die sich auf beiden Seiten des Gleitringes 10 auf­ bauenden Druckfelder im Kräftegleichgewicht befinden. Bei bestimmten Be­ triebsbedingungen, z.B. bei schnellem Abbau des Hauptdruckes Pa baut sich der zwischen den beiden Arbeitsdrosselspalten 16, 17 bleibende Zwischen­ druck Pc ebenfalls sofort ab, da in diesem Fall der Zwischendruck Pc größer ist als der abgesunkene Hauptdruck Pa und dies zur Öffnung des Rückschlag­ ventils 6 a führt, wobei die Verbindungsleitung 5 vom Zwischendruck Pc zum Hauptdruck Pa geöffnet wird und der vom Ringspalt 18 und der Zwischendruck­ nut 19 gebildete Zwischendruckraum vollständig entlastet wird.

Alternativ zu der Ausführungsform nach Fig. 3 mit Rückschlagventil 6 a ist eine Entlastung des Zwischendruckes Pc auch über ein Druckverhältnisventil 6 b (Fig. 2b) möglich, welches in Richtung Leckraum L öffnet. Arbeits- und Wirkungsweise sind gleich wie vorher beschrieben d.h. bei Abfall des Haupt­ druckes Pa erfolgt zeitgleich eine Absenkung des Zwischendruckes Pc.

Der unter Arbeitsdruck stehende, durch die Bohrung 20 fließende Haupt­ flüssigkeitsstrom kann, wie der Doppelpfeil 28 verdeutlicht, seine Durch­ flußrichtung auch ändern d.h., das Medium kann auch von der rotierenden Welle 7 zu einem Verbraucher im stehenden Gehäuse geleitet werden. Dichtigkeit und Drehmomentübertragung sowie Funktions- und Arbeitsweise der Drehdurchführung werden hierdurch nicht beeinträchtigt.

Die Ventilanordnung ist vorzugsweise im stehenden Bauteil angeordnet.

• Bezugszeichen-Liste  1Zylinderkolben 1′Zylinderkolben 2Kraftzylinder 3Seite von 01  4Seite von 01  5Verbindungsleitung 6Ausgleichselement, Ventil 6 aRückschlagventil 6 bDruckverhältnisventil 7Welle 8Gehäuse 9Gegenlaufring10Gleitring11Teil (von 9)12Teil (von 9)13Distanzring (Teil von 9)14Dichtung15Dichtung16Arbeitsdrosselspalt S₁16′Arbeitsdrosselspalt S 17Arbeitsdrosselspalt S₂18Ringspalt19Zwischendrucknut20Bohrung (Zulauf)21Hauptdruckraum (Bohrung)22Ringnut23Verbindungsleitung24Sackbohrung25Bohrung26Wellenbohrung27Schraubenreihe28Doppelpfeil29Seegering, Anschlag30Seegering, Anschlag31Federelement33DruckquellePaHauptdruckPcZwischendruckFcZwischendruckkraftBDrehmoment M _R (Linie)AHauptdruck Pa (Linie)SSpalt bzw. Drossel 16′ S₁Spalt bzw. Drossel 16 S₂Spalt bzw. Drossel 17 CZwischendruck Pc (Linie) LLeckraum M _R Drehmoment FaHauptdruckkraft

Claims (3)

1. Hydrostatische Drehdurchführung mit inverser Spaltregelung zur Ab- oder Zuführung von Druckmedium von einem stehenden in ein rotierendes Maschinenteil mit mindest einem axial gegeneinander verschiebbaren Gleitring und Gegenlaufring, gekennzeichnet durch eine sekundäre Beeinflussung des Zwischendruckes (Pc) in Abhängigkeit des Ver­ hältnisses zwischen Hauptdruck (Pa) und Zwischendruck (Pc), wobei zwischen Hauptdruckraum (21) und Zwischendruckraum (18, 19) ein Ausgleichselement (6) angeordnet bzw. integriert ist.

2. Hydrostatische Drehdurchführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgleichselement ein in einer Verbindungsleitung (5) ange­ ordnetes Ventil (6, 6 a) ist, derart, daß der Durchfluß vom Zwischen­ druckraum (18, 19) in Richtung Hauptdruckraum (21) freigegeben wird, wenn der Hauptdruck (Pa) betriebsbedingt kleiner ist, als der Zwischen­ druck (Pc).

3. Hydrostatische Drehdurchführung, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Verbindungsleitung angeordnete Ventil (6 b) derart ange­ steuert wird, daß ein Durchfluß vom Zwischendruckraum in Richtung Leck­ raum (L) in Abhängigkeit des Verhältnisses vom Hauptdruck und Zwischen­ druck erfolgen kann.