DE4301135C2 - Hydraulische Kolbenmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Kolbenmaschine mit einem Zylinderkörper und einem Steuerspiegel, die über eine Steuerfläche aneinanderanliegen, wobei der Zylinderkörper mehrere Zylinder aufweist, die über eine Öffnung in die Steuerfläche münden, und der Steuerspiegel einen Hochdruckkanal und einen Niederdruckkanal aufweist, die mit einem Hochdruck- bzw. einem Niederdruckanschluß verbunden sind und bei einer Bewegung von Zylinderkörper und Steuerspiegel relativ zueinander von der Öffnung überstrichen werden, wobei der Niederdruckkanal an seinem zuerst von der Öffnung überstrichenen Ende eine Nut aufweist.

Bei bekannten Maschinen dieser Art (US 38 90 883) ver­ sucht man mit einer derartigen Ausbildung des Nieder­ druckkanals eine Art Druckausgleich zu erzeugen, um Probleme zu vermeiden, die beim Übergang von einem hö­ heren Druck im Zylinder zu einem niedrigeren Druck im Niederdruckkanal entstehen können. Diese Probleme be­ stehen insbesondere darin, daß die unter hohem Druck stehende Hydraulikflüssigkeit unmittelbar nach dem Her­ stellen einer Flüssigkeitsverbindung zwischen der Öff­ nung und dem Niederdruckkanal eine derartig große Ge­ schwindigkeit entwickelt, daß sie zu Strahlenerosion in der Maschine führen kann. Die Nuten sind daher so aus­ gebildet, daß sie eine Drosselwirkung haben, um die Ge­ schwindigkeit der Hydraulikflüssigkeit drastisch ver­ mindern zu können.

DE 37 25 361 A1 beschreibt für den umgekehrten Fall, nämlich für die Hochdruckseite, die Möglichkeit, eine derartige Strahlenerosion im Zylinder dadurch zu ver­ meiden, daß ein Störstrahlkanal in die Nut so mündet, daß die Strömungsrichtungen der aus der Nut in den Zy­ linder eintretenden Flüssigkeit und der aus der Mündung des Störstrahlkanals austretenden Flüssigkeit sich kreuzen. Hierdurch entsteht eine Verwirbelung der Flüs­ sigkeit, die verhindert, daß die Flüssigkeit mit hoher Geschwindigkeit auf die Zylinderwand auftritt.

Beide bekannten Möglichkeiten arbeiten zufrieden­ stellend, solange die Hydraulikflüssigkeit eine Visko­ sität aufweist, die etwa der von Hydraulik-Ölen ent­ spricht. Wenn die Viskosität der Hydraulikflüssigkeit jedoch wesentlich niedriger ist, beispielsweise wenn die Viskosität der Hydraulikflüssigkeit der von Wasser entspricht, läßt sich mit der Drosselung durch die Nut keine oder nur eine unzureichende Geschwindigkeitsver­ minderung erzielen. Eine Erhöhung der Drosselwirkung ist aus konstruktiven und fertigungstechnischen Gründen in vielen Fällen nicht möglich. Auch die Verwendung eines Störstrahles bringt bei niedrig viskosen Flüssig­ keiten nicht immer den gewünschten Erfolg. Dies ist umso problematischer, als mit abnehmender Viskosität in vielen Fällen eine zunehmende mechanische Härte der Flüssigkeiten beobachtet werden kann, die wiederum die Gefahr der Strahlenerosion vergrößert.

DE-AS 19 63 288 beschreibt eine Druckausgleichseinrichtung für eine Druckflüssigkeits-Axialkolbenmaschine mit getrennt von den Steuernieren vorgesehenen Druckausgleichsöffnungen. Diese Druckausgleichsöffnungen werden über Druckausgleichskerben mit Zylindern verbunden, deren Kolben sich im Bereich ihres oberen bzw. unteren Totpunkts befinden. Die Druckausgleichskerben ermöglichen zusammen mit den Druckausgleichsöffnungen einen langsamen Druckausgleich. Hierbei entstehen geringfügige Druckwellen, so daß die Geräusche geringer sind als bei Maschinen, die die Druckausgleichskerben und die Druckausgleichsöffnungen nicht aufweisen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auch bei Verwendung von niedrigviskosen Hydraulikflüssigkeiten eine möglichst lange Lebensdauer der Maschine zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird bei einer hydraulischen Kolbenma­ schine der eingangs genannten Art erfindungsgemäß da­ durch gelöst, daß die Nut zusammen mit der Öffnung zu­ mindest unmittelbar nach dem Beginn ihrer Überdeckung einen gerichteten Strahl erzeugt, der so gerichtet ist, daß er die Projektion zumindest der Öffnung des in Bewegungsrichtung nächsten Zylinders kreuzt.

Man kann also hier weitgehend auf die Drosselwirkung der Nut verzichten. Man nimmt dabei zwar in Kauf, daß die Hydraulikflüssigkeit mit hoher Geschwindigkeit aus dem Zylinder in den Niederdruckkanal austritt. Da man aber durch die Anpassung von Nut und Öffnung aneinander dafür gesorgt hat, daß in dem Augenblick, wo die Hy­ draulikflüssigkeit diese hohe Geschwindigkeit hat, ein gerichteter Strahl entsteht, kann man diesen Strahl so richten, daß er keine nennenswerten Schäden anrichtet. Dies läßt sich am einfachsten dadurch erreichen, daß der Strahl eine möglichst lange Wegstrecke im Nieder­ druckkanal zurücklegen muß, bevor er auf die Wand des Niederdruckkanals trifft. Die Dämpfung, d. h. das Ab­ bremsen der im Flüssigkeitsstrahl transportierten Flüs­ sigkeit, erfolgt dann durch die umgebende Flüssigkeit. Beim Auftreffen auf die Wand des Niederdruckkanals hat die Strahl-Flüssigkeit nur noch eine relativ geringe Energie, die in der Regel nicht mehr ausreicht, um nen­ nenswerte Schäden zu verursachen. In der umgebenden Flüssigkeit wird der Strahl auch aufgefächert, so daß er nicht mehr so scharf ist. Der Strahl muß den aus dem nächsten Zylinder aus- bzw. in ihn eintretenden Flüssigkeitsstrom durchqueren. Hierbei entsteht eine zusätzliche Dämpfung des Strahls, d. h. der im Strahl geförderten Flüssigkeit, dadurch, daß durch die aus dem in Bewegungsrichtung nächsten Zylinder austretende bzw. die in ihn eintretende Hydraulikflüssigkeit eine Störung des Strahles erfolgt. Der Strahl wird dadurch weiter abgelenkt, und zwar in eine Richtung senkrecht zur Steuerfläche. Es kommt, ähnlich wie in DE 37 25 361 A1, zu einer Störung des Strahls bzw. zu einer lokalen Verwirbelung der Hydraulikflüssigkeit, die zusätzliche Energien bindet.

Hierbei ist bevorzugt, daß zwischen dem Anfang der Nut und einem projizierten Auftreffpunkt des Strahls auf eine Wand des Kanals eine Strecke liegt, die größer als das 3,5fache der Breite des Kanals ist. Diese Strecke reicht in der Regel aus, um den aus dem Zylinder aus­ tretenden Flüssigkeitsstrahl in ausreichendem Maße zu dämpfen. Beim Auftreffen des Strahls auf die Wand wird sich der Strahl dann soweit aufgefächert und verdickt haben, daß nicht mehr von einem Punkt die Rede sein kann. Mit der Formulierung "projizierter Auftreffpunkt" ist daher der Punkt gemeint, der sich ohne Dämpfung durch die umgebende Hydraulikflüssigkeit ergeben würde.

Bevorzugterweise ist der Strahl in bezug auf die Steu­ erfläche geneigt, wobei die Nut an ihrem Grund eine entsprechende Neigung aufweist. Die Neigung ist so aus­ gestaltet, daß der Abstand zwischen Nutgrund und Steu­ erfläche am Anfang der Nut größer als am Ende der Nut ist, wobei sich das Ende der Nut am Übergang in den Niederdruckkanal befindet. Man vermeidet hierdurch, daß der Strahl auf den Nutgrund auftrifft und bereits dort zu Schäden durch Strahlenerosion führt. Gleichzeitig gibt man dem Strahl bereits in der Nut die Möglichkeit, sich aufzufächern, so daß er beim Eintritt in den Niederdruckkanal sofort von der umgebenden Flüssigkeit gedämpft und damit abgebremst werden kann. Als positi­ ver Nebeneffekt werden Geräusche vermindert.

Vorteilhafterweise weist der Niederdruckanschluß in Bewegungsrichtung zumindest im Bereich des Anfangs des Niederdruckkanals eine Mündung auf. Dies hat den Vor­ teil, daß im Motorbetrieb im Niederdruckkanal zumindest im Bereich seines Anfangs eine Strömung existiert, die der Strahlrichtung im wesentlichen entgegengesetzt ist. Dies führt zu einer weiteren Dämpfung bzw. Bremsung der Flüssigkeit des Strahls, so daß dem Strahl hierdurch weitere Energie entzogen werden kann. Selbstverständ­ lich kann man hierbei zulassen, daß der Niederdruckan­ schluß auch noch in anderen Bereichen des Niederdruck­ kanals mündet.

Bevorzugterweise ist der Strahl hierbei in den Nieder­ druckanschluß hineingerichtet. Hierdurch ergibt sich zwar für eine Komponente des Strahles, nämlich die senkrecht zur Steuerfläche verlaufende, im Motorbetrieb eine Geschwindigkeitsvergrößerung, weil diese Komponen­ te mit der entsprechenden Komponente der abfließenden Flüssigkeit gleichgerichtet ist. Dies führt jedoch zu einer weiteren Ablenkung des Strahles, die diesen Ef­ fekt mehr als ausgleicht. Zudem läßt sich hierdurch die Strecke zwischen dem Anfang der Nut und dem projizier­ ten Auftreffpunkt weiter vergrößern. Die Dämpfungs- und Bremswirkung wird hierbei weiter vergrößert. Im Pumpen­ betrieb ist der Flüssigkeitsstrom dieser Komponente entgegengerichtet und bremst ihn somit ab.

Bevorzugterweise ist der Steuerspiegel von einer rei­ bungsvermindernden Schicht vollständig umgeben. Die reibungsvermindernde Schicht kleidet also auch die Wän­ de des Niederdruckkanals aus. Eine derartige reibungs­ vermindernde Schicht hat insbesondere im Zusammenhang mit niedrigviskosen Hydraulikflüssigkeiten Vorteile, da diese Flüssigkeiten in der Regel keine schmierende Wir­ kung mehr entfalten. Eine reibungsvermindernde Schicht dieser Art ist zwar in der Regel sehr anfällig für Ero­ sion durch scharfe Flüssigkeitsstrahlen. Sie spielt jedoch im vorliegenden Fall keine Rolle, da dafür ge­ sorgt wird, daß keine scharfen Flüssigkeitsstrahlen mehr auf diese Schicht auftreffen können.

Insbesondere ist von Vorzug, daß die Schicht aus einem Kunststoff gebildet ist. Als Kunststoff für die Schicht kommen insbesondere Werkstoffe aus der Gruppe der hoch­ festen thermoplastischen Kunststoffe auf der Basis von Polyaryletherketonen, insbesondere Polyetheretherketo­ nen, Polyamiden, Polyacetalen, Polyarylether, Polyethy­ lenterephthalaten, Polyphenylensulfiden, Polysulfonen, Polyethersulfonen, Polyetherimiden, Polyamidimid, Poly­ acrylaten, Phenol-Harzen, wie Novolak-Harzen, oder ähnliches in Betracht, wobei als Füllstoffe Glas, Gra­ phit, Polytetrafluorethylen oder Kohlenstoff, insbeson­ dere in Faserform, verwendet werden können. Bei Verwen­ dung derartiger Materialien läßt sich auch Wasser als Hydraulikflüssigkeit verwenden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzug­ ten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeich­ nung beschrieben. Hierin zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Steuerspiegel und

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch den ent­ sprechenden Teil einer hydraulischen Maschine entlang einer Linie II-II nach Fig. 1.

Eine nicht näher dargestellte hydraulische Kolbenma­ schine, die nach dem Axialkolben-Prinzip arbeitet, weist einen Zylinderkörper 1 auf, von dem nur das unte­ re Ende dargestellt ist, in dem Öffnungen 2 angeordnet sind, über die im Zylinderkörper 1 angeordnete Zylinder in eine Steuerfläche 3 münden.

Über diese Steuerfläche 3 liegt der Zylinderkörper 1 flächig an einem Steuerspiegel 4 an. Der Steuerspiegel 4 weist einen Niederdruckkanal 5 und einen in mehrere Abschnitte unterteilten Hochdruckkanal 6 auf, die mit einem Niederdruckanschluß 7 bzw. einem nicht näher dar­ gestellten Hochdruckanschluß 8 in Verbindung stehen. Der Niederdruckkanal 5 und der Hochdruckkanal 6 sind bogen- oder nierenförmig ausgebildet und werden deshalb gelegentlich auch als "Steuernieren" bezeichnet.

Bei einer Drehung des Zylinderkörpers 1 in Richtung des Pfeiles 8 relativ zum Steuerspiegel 4 kommen nun die Öffnungen 2 und damit die einzelnen Zylinder periodisch in Flüssigkeitsverbindung mit dem Hochdruckkanal 6 und dann mit dem Niederdruckkanal 5. Der Niederdruckkanal 5 weist hierzu an seinem vorderen Ende, d. h. an dem Ende, das zuerst von einer Öffnung 2 überstrichen wird, eine Nut 9 auf, die gegenüber einem die radiale Mitte von Niederdruckkanal 5 und Hochdruckkanal 6 definierenden Kreises 10 radial nach innen versetzt ist. Die Nut 9 ist relativ breit und relativ tief ausgestaltet, so daß sie praktisch keine oder nur eine sehr geringe Drossel­ wirkung auf die durchströmende Hydraulikflüssigkeit ausübt.

Die Nut 9 und der mit ihr zuerst in Berührung kommende Abschnitt 11 der Öffnung 2 sind so aufeinander abge­ stimmt, daß unmittelbar nach dem Beginn der Überdeckung von Öffnung 2 und Nut 9 ein Flüssigkeitsstrahl 12 ent­ steht, der so gerichtet ist, daß er eine möglichst gro­ ße Strecke im Niederdruckkanal zurücklegen muß, bevor er auf eine Wand 13 des Niederdruckkanals 5 bzw. des Niederdruckanschlusses 7 trifft, der in einem Rück­ flansch 14 angeordnet ist. Bei dieser relativ langen Strecke, die mindestens das 3,5-fache der Breite d des Niederdruckkanals 5 beträgt, verliert die Flüssigkeit des Strahles 12 erheblich an Geschwindigkeit. Die umge­ bende Hydraulikflüssigkeit dämpft den Strahl 12 und bremst ihn ab. Hierbei wird der Strahl aufgefächert, so daß keine scharfe Strahlspitze mehr an der Wand 13 auf­ treffen kann. Lediglich zum Zweck der Anschauung wird ein projizierter Auftreffpunkt 15 definiert, an dem ein ungebremster Strahl 12 an der Wand 13 auftreffen würde.

Der Strahl 12 läuft an einer Öffnung 2′ eines in Bewe­ gungsrichtung 8 vorauseilenden Zylinders vorbei. Da dieser Zylinder ebenfalls Flüssigkeit in den Nieder­ druckkanal 5 abgibt bzw. von dort aufnimmt, erfolgt hier eine weitere Dämpfung des Strahles 12, die mit einer gewissen lokalen Verwirbelung der Flüssigkeit einhergeht. Der Strahl 12 wird hier mit einer Strö­ mungskomponente im wesentlichen senkrecht zu seiner Richtung beaufschlagt.

Der Niederdruckanschluß 7, der aus Gründen der Über­ sichtlichkeit in Fig. 1 strichpunktiert dargestellt ist, mündet im Bereich des Anfangs des Niederdruckka­ nals 5, d. h. in dem Bereich, der zuerst von der Öffnung 2 überstrichen wird. Es ergibt sich daher eine gewisse Strömungskomponente der aus den übrigen Öffnungen 2′ abfließenden Flüssigkeit, die dem Strahl 12 weitgehend entgegengerichtet ist. Dies führt zu einer weiteren Dämpfung der Flüssigkeit, so daß an der Wand 13 keine nennenswerten Energien mehr aufzunehmen sind.

Der Strahl 12 ist in den Niederdruckanschluß 7 hinein­ gerichtet, d. h. er ist (in Fig. 2) nach unten gerich­ tet. Allgemein ausgedrückt weist der Strahl 12 eine Komponente auf, die von der Steuerfläche 3 weggerichtet ist. Dementsprechend weist auch die Nut 9 an ihrem Grund 16 eine entsprechende Neigung auf, um zu verhin­ dern, daß der Strahl 12 auf den Nutgrund 16 auftrifft.

Der Steuerspiegel 4 ist von einer reibungsvermindernden Schicht 17 aus einem Kunststoff, wie etwa Polyamid (Ny­ lon), Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Polyarylether­ keton, insbesondere Polyetheretherketon (PEEK), voll­ ständig umgeben. Diese Schicht vermindert Reibungsver­ luste zwischen dem Steuerspiegel 4 und dem Zylinderkör­ per 1 auch dann, wenn die Hydraulikflüssigkeit keine schmierenden Eigenschaften besitzt. Eine derartige Schicht 17 ist zwar relativ anfällig gegen Strahlenero­ sion durch scharfe Flüssigkeitsstrahlen 12. Diese wer­ den jedoch vor dem Auftreffen auf die Wand 13 ausrei­ chend gedämpft und abgebremst, so daß Erosionsschäden praktisch nicht zu befürchten sind.

Claims (7)

1. Hydraulische Kolbenmaschine mit einem Zylinderkör­ per und einem Steuerspiegel, die über eine Steuer­ fläche aneinanderanliegen, wobei der Zylinderkörper mehrere Zylinder aufweist, die über eine Öffnung in die Steuerfläche münden, und der Steuerspiegel einen Hochdruckkanal und einen Niederdruckkanal aufweist, die mit einem Hochdruck- bzw. einem Niederdruckanschluß verbunden sind und bei einer Bewegung von Zylinderkörper und Steuerspiegel relativ zueinander von der Öffnung überstrichen werden, wobei der Niederdruckkanal an seinem zuerst von der Öffnung überstrichenen Ende eine Nut aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (9) zusammen mit der Öffnung (2) zumindest unmittelbar nach dem Beginn ihrer Überdeckung einen gerichteten Strahl (12) erzeugt, der so gerichtet ist, daß er die Projektion zumindest der Öffnung (2′) des in Bewegungsrichtung (8) nächsten Zylinders kreuzt.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Anfang der Nut (9) und einem pro­ jizierten Auftreffpunkt (15) des Strahls (12) auf eine Wand (13) des Kanals (5) eine Strecke liegt, die größer als das 3,5fache der Breite (d) des Kanals (5) ist.

3. Maschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl (12) in bezug auf die Steuerfläche (3) geneigt ist, wobei die Nut (9) an ihrem Grund (16) eine entsprechende Neigung auf­ weist.

4. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Niederdruckanschluß (7) in Bewegungsrichtung zumindest im Bereich des Anfangs des Niederdruckkanals (5) eine Mündung aufweist.

5. Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl (12) in den Niederdruckanschluß (7) hineingerichtet ist.

6. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerspiegel (4) von einer reibungsvermindernden Schicht (17) vollständig um­ geben ist.

7. Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (17) aus einem Kunststoff gebildet ist.