DE3812363C2

DE3812363C2 - Hydrostatische Drehdurchführung

Info

Publication number: DE3812363C2
Application number: DE3812363A
Authority: DE
Inventors: Bodo Dipl Ing Dr Stich; Slawomir Dipl Ing Adamowicz
Original assignee: Glyco Antriebstechnik GmbH
Current assignee: Moog GAT GmbH
Priority date: 1987-04-28
Filing date: 1988-04-14
Publication date: 1994-07-28
Anticipated expiration: 2008-04-15
Also published as: DE3812363A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine hydrostatische Drehdurchführung für die Zufuhr oder Abnahme von Druckmedien aus einem stehenden in ein rotierendes Maschinenteil, mit mindestens einem Gleitring und einem Gegenlaufring, welche begrenzt axial gegeneinander verschiebbar sind und welche in Axialrichtung durch zwei beabstandete Drosselspalte voneinander getrennt sind, wobei die Drosselspalte über einen Zwischendruckraum miteinander in Verbindung stehen.

Eine derartige Drehdurchführung mit inverser Spaltregelung ist aus der Veröffentlichung von "Thoma, J., Einführung in die Ölhydraulik und die hydraulische Systemtechnik, Giradet Taschenbuch 18 (1973) bekannt geworden.

Bei Drehdurchführungen der vorstehenden Art wird es als nachteilig angesehen, daß der durch die Druck- und Flächenverhältnisse in den Drosselspalten eingestellte hydrostatische Schwebezu stand, d. h. der Gleichgewichtszustand zwischen Haupt- und Zwischendruck, dadurch ins Ungleichgewicht gebracht werden kann, daß Druckänderungen in dem System auftreten. Die die Drosselspalte begrenzenden Teile können dann miteinander in direkte mechanische Berührung kommen und gegeneinander anlaufen. Als besonders kritisch haben sich hierfür schnelle Druckänderungen, insbesondere Druckminderungen im Hauptdruckbereich erwiesen. Dies hat zur Folge, daß sich der für die Aufrechterhaltung 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 unter Umständen zum Ausfall des Systems.

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

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der Erfindung dadurch, daß ein Hauptdruckarm und der Zwischendruckarm über ein Ausgleichselement miteinander in Verbindung stehen.

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 Hauptdruck reduzierung, wie sie beispielsweise bei Schaltvorgängen in hydraulischen Anlagen üblicherweise auftreten, der Zwischendruck sich entsprechend schnell und sicher auf die für die Aufrechterhal tung des Kräftegleichgewichts notwendigen Verhältnisse zwischen Haupt- und Zwischendruck einregelt. Hierdurch wird wirkungsvoll eine mechanische Berührung der Bauteile mit den nachteiligen Folgen einer Reibmomenterhöhung und Verschleiß bei derartigen Betriebs bedingungen vermieden.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist das Ausgleichselement ein in einer Verbindungs leitung angeordnetes Ventil, das so geschaltet ist, daß der Durchfluß vom Zwischendruckraum in Richtung Hauptdruckraum freigegeben wird, wenn der Hauptdruck betriebsbedingt kleiner ist, als der Zwischendruck.

Nach einem ausgestaltenden Merkmal wird das Ventil dabei derart angesteuert, daß ein Durchfluß vom Zwischendruckraum in Richtung Leckraum in Abhängigkeit des Verhältnisses von Hauptdruck und Zwischendruck erfolgen kann.

Das Ventil ist vorzugsweise im stehenden Bauteil, d. h. im Gegenlaufring eingesetzt.

Die CH 563 543 zeigt keine Drehdurchführung mit inverser Spaltregelung sondern eine allgemein bekannte Drehdurchführung mit Gleitschuh. Die beiden in der Drehdurchführung dargestellten "Spalte" stellen keine Drosselspalte dar, sondern sind letztlich nur Durchführungsräume und haben überdies gleich große, vom Druck beaufschlagte Flächen. Außerdem weisen die erwähnten "Spalte" radial innere und äußere Begrenzungen auf, die in axialer Richtung zu einem rotierenden Lochkranz hin vorspringen und mit diesem in dichtendem Eingriff stehen. Aus diesem Grunde können die "Spalte" nicht Teile eines inversen Spaltregelungs mechanismus bilden. Bei diesem Stand der Technik geht es vielmehr lediglich darum, stehendes und rotierendes Maschinenteil nur entlang eines Teiles ihres Umfanges miteinander in Verbindung zu bringen, wobei selbstverständlich die Vielzahl der über den Umfang verteilten Zuführöffnungen geschlossen sein muß, wenn die ensprechenden Öffnungen des rotierenden Maschinenteils nicht mit den Druckzufuhröffnungen des stehenden Maschinenteils verbunden sind. Sobald diese Öffnungen jedoch mit Druck beaufschlagt werden, öffnet ein Rückschlagventil an diesen Öffnungen und erlaubt die Zufuhr des Druckmediums. Das Ventil bzw. Ausgleichselement schließt also die direkte Verbindung zwischen dem stehenden und dem rotierenden Maschinenteil. Demgegenüber ist gemäß der vorliegenden Erfindung keinerlei Ventil zwischen dem stehenden und dem rotierenden Maschinenteil vorgesehen, sondern es ist allein im stehenden (wahlweise bei einer anderen Ausführungsform auch im rotierenden) ein Ventil zwischen dem Hauptdruck raum und dem Zwischendruckraum vorgesehen, welcher die beiden Drosselspalten miteinander verbindet. Dieses Ventil kann jedoch die normale Strömung des Mediums vom stehenden in das rotierende Maschinenteil oder umgekehrt in keiner Weise beeinflussen. Das Ausgleichselement ist vielmehr ausschließlich so angeordnet und ausgelegt, daß es schnelle Druckänderungen im Zwischendruckraum erlaubt, die auf diese Weise auch schneller in die entsprechenden Drosselspalten übertragen werden können, so daß die gesamte inverse Spaltregelung den hydrostatisch schwebenden Zustand auch bei plötzlichen Druckänderungen aufrechterhält. In der CH 563 543 sind keinerlei Maßnahmen für diesen Zweck und mit dieser Wirkung zu erkennen.

Es zeigt

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 entspricht der Zylinderkolben 1 dem Gleitring (siehe Fig. 3) und der Kraftzylinder 2 dem Gegenlaufring 9, wobei die eine 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, S₁ und S₂ (in Fig. 3 Arbeits drosselspalte 16′, 16, 17) so angeordnet, daß beim Schließen des Spaltes S₂ gleichzeitig die Spalte S₁ und S geöffnet werden oder umgekehrt. Die Spalte S, S₁ und S₂ 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 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 daraus 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 6a (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 6a 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 6a 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 andere äquivalente 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 überliegenden Arbeitsdrosselspalten 16, 17 sind über die Zwischendruck räume 18, 19 d.h. den Ringspalt 18 und die 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 Ausgleichselement, dargestellt als Rückschlagventil 6a, be findet sich ebenfalls im Distanzring 13. Bei Beaufschlagung durch das Druckmedium bilden die Arbeitsdrosselspalte 16, 17 (in den Ersatzschalt bildern S₁ und S₂) 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 6a 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 6a ist eine Entlastung des Zwischendruckes Pc auch über ein Druckverhältnisventil 6b (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.

Bezugszeichenliste

1 Zylinderkolben
1′ Zylinderkolben
2 Kraftzylinder
3 Seite von 01
4 Seite von 01
5 Verbindungsleitung
6 Ausgleichselement, Ventil
6a Rückschlagventil
6b Druckverhältnisventil
7 Welle
8 Gehäuse
9 Gegenlaufring
10 Gleitring
11 Teil (von 9)
12 Teil (von 9)
13 Distanzring (Teil von 9)
14 Dichtung
15 Dichtung
16 Arbeitsdrosselspalt S₁
16′ Arbeitsdrosselspalt S
17 Arbeitsdrosselspalt S₂
18 Ringspalt
19 Zwischendrucknut
20 Bohrung (Zulauf)
21 Hauptdruckraum (Bohrung)
22 Ringnut
23 Verbindungsleitung
24 Sackbohrung
25 Bohrung
26 Wellenbohrung
27 Schraubenreihe
28 Doppelpfeil
29 Seegering, Anschlag
30 Seegering, Anschlag
31 Federelement
33 Druckquelle
Pa Hauptdruck
Pc Zwischendruck
Fc Zwischendruckkraft
B Drehmoment M_R (Linie)
A Hauptdruck Pa (Linie)
S Spalt bzw. Drossel
S₁ Spalt bzw. Drossel
S₂ Spalt bzw. Drossel
C Zwischendruck Pc (Linie)
L Leckraum
M_R Drehmoment
Fa Hauptdruckkraft

Claims

1. Hydrostatische Drehdurchführung für die Zufuhr oder Abnahme von Druckmedium aus einem stehenden (8) in ein rotierendes Maschinenteil (7), mit mindestens einem Gleitring (10) und einem Gegenlaufring (11, 12, 13), welche begrenzt axial gegeneinander verschiebbar sind und welche in Axialrichtung durch zwei beabstandete Drosselspalte (S, S1, S2; 16, 16′, 17) voneinander getrennt sind, wobei die Drosselspalte über einen Zwischendruckraum (18, 19) miteinander in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hauptdruckraum (21) und der Zwischendruckraum (18, 19) über ein Ausgleichselement miteinander in Verbindung stehen.

2. Hydrostatische Drehdurchführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgleichselement ein in einer Verbindungsleitung (5) ange ordnetes Ventil (6, 6a) 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 (6b) derart ange steuert wird, daß ein Durchfluß vom Zwischendruckraum in Richtung Leck raum (L) in Abhängigkeit des Verhältnisses von Hauptdruck und Zwischen druck erfolgen kann.