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Pumpe oder Motor mit Verdrängerzellen veränderlichen Hubvolumens Die
Erfindung bezieht sich auf eine Pumpe oder einen Motor mit Verdrängerzellen, z.
B. nach Art der Kapselwerke, Taumelscheibenpumpen oder -motoren oder Sternzylindermaschinen,
bei der bzw. dem die Verbindung der Zellen mit einer Saug-bzw. Druckleitung durch
eine umlaufende Steuerung, z. B. durch einen Drehschieber, hergestellt und unterbrochen
wird und die bzw. .der ein durch ein Stellglied veränderliches Hubvolumen aufweist.
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Es ist bekannt, bei einer Maschine .dieser Art auf das Stellglied
einen von einer Betriebsgröße, z. B. dem Förderdruck, abhängigen Flüssigkeitsdruck
wirken zu lassen. Das kann beispielsweise dem Zweck dienen, einen etwaigen Spielraum
im Gestänge des Stellgliedes aufzunehmen oder das Stellglied zum selbsttätigen Regeln
der Betriebsgröße nachgiebig mit einem Regelorgan zu fesseln. Bei einer bekannten
Anordnung dieser Art (Patent 662 563), bei der die Maschine eine Sternzylindermaschine
ist und ihr Stellglied von einem quer zur Achse verschiebbaren Exzenterring gebildet
wird, wirkt der die selbsttätige Verstellung dieses Ringes entgegen der Kraft einer
Feder herbeiführende Flüssigkeitsdruck auf einen besonderen Kolben, dessen Zylinder
im Gehäuse der Maschine quer zu deren Achse angeordnet ist.
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Der Erfindung liegt,die Aufgabe zugrunde, diese bekannte Anordnung
durch Fortfall des besonderen Verstellzylinders zu vereinfachen.
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Diese Aufgabe wird durch eine solche Ausgestaltung der die Verdrängerzellen
abwechselnd an die Saug- und Druckleitung anschließenden Steuerung
gelöst,
daß der auf das Stellglied wirkende Flüssigkeitsdruck in den Verdrängerzellen entsteht.
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Bei der bisher üblichen Ausgestaltung der Steuerung wird jede Verdrängerzelle
in den Totpunkten ihrer Volumenänderung mit Bezug auf die Saug-und Druckleitung
umgeschaltet. Wenn das geschieht, halten sich die auf das Stellglied rückwirkenden
Kräfte mit mehr oder weniger großer Annäherung das Gleichgewicht. Dieses Gleichgewicht
wird für die Zwecke der Erfindung gestört.
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Um das zu erreichen, stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung:
Eine Ausführungsform der Erfindung ist durch eine solche Ausgestaltung der Steuerung
gekennzeichnet, daß die Unterbrechung bzw. Herstellung der Verbindung gegenüber
einer oder beider Totpunktlagen 'so verschoben ist, daß ein vorübergehender Abschluß
der einzelnen Zellen eintritt, wodurch eine unausgeglichene Kraft auf das Stellglied
wirkt.
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Man kann die einzuhaltende Bedingung aber auch dahin kennzeichnen,
daß die Mitte des Anschlußbereiches der Saugleitung gegenüber der Mitte des Anschlußbereiches
der Druckleitung um einen von 2 a abweichenden Winkel versetzt ist, wobei a der
Winkel ist, den der Läufer bei einem Zellenarbeitsspiel zurücklegt.
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Das hat dann die Wirkung, daß eine im Sinne der Verstellung auf das
Stellglied wirkende freie Kraft entsteht, die statt des Stellkolbens zur selbsttätigen
Regelung nutzbar gemacht werden kann.
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Da dies für Verdrängerzellenmaschinen der verschiedensten Bauart gilt,
ist die Erfindung keineswegs auf Maschinen der erwähnten Sternzylinderbauart mit
verstellbarem Exzenterring oder auf andere bestimmte Maschinenbauarten beschränkt.
Vielmehr eignet sie sich in gleicher Weise für. Flügelkolbenmaschinen mit quer zur
Achse verstellbarem Läufer oder Gehäuse, insbesondere für Maschinen der bekannten
Sturm-Bauart nach Patent 5i9 686. Auch auf Taumelscheibenmaschinen ist sie anwendbar.
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Die selbsttätige Einstellung der Maschine kann z. B. zur Regelung
verschiedener Betriebsgrößen oder zur Spielaufnahme in ihrer Steuerung benutzt werden.
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Da die Stellkräfte j e nach der Ausbildung der Steuerung vom Förderdruck
der Maschine, der Volumenänderung der Zelle (also dem Fördervolumen) oder der Drehzahl
abhängig sein können, ist es möglich, als zu regelnde Betriebsgrößen die Leistung
bzw. die die Leistung bestimmenden Faktoren, z. B. Förderdruck, Drehmoment oder
Drehzahl, zu wählen.
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Handelt es sich beispielsweise um eine Pumpe, so kann, wie bekannt,
deren Förderdruck gleichbleibend erhalten werden. In diesem Fall wird die Steuerung
so ausgestaltet, daß die Umschaltzeitpunkte der Verdränggerzellen gegenüber den
Totpunkten ihrer Volumenänderung vor- oder nacheilen und daher der auf die Zellen
wirkende Förderdruck eine in der Verstellrichtung wirkende Kraftkomponente erzeugt.
Diese Kraftkomponente ist dann unter anderem von dem Förderdruck abhängig und kann
z. B. unter Zusammenwirken mit einer eine entsprechende Kennlinie aufweisenden Federung
dazu benutzt werden, bei ansteigendem Förderdruck die Fördermenge der Pumpe zu verringern,
so daß deren. Leistung gleichbleibt. Eine andere Ausführungsform der Erfindung besteht
in einer solchen Ausgestaltung der Steuerung, daß jede Verdrängerzelle während ihrer
Vergrößerung oder Verkleinerung vorübergehend sowohl von der Saug als auch von der
Druckleitung abgeschlossen ist, wodurch in dieser Zelle ein auf das Stellglied wirkender
Regeldruck entsteht. Je nach den Erfordernissen wird die Steuerung erfindungsgemäß
so ausgestaltet, daß dieser Regeldruck väm Förderdruck unabhängig oder abhängig
ist.
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Es soll beispielsweise eine schwere Masse durch ein Flüssigkeitsgetriebe
bewegt werden. Zu überwinden sind lediglich die Bewegungswiderstände. Da diese im
wesentlichen Reibungskräfte sind, wird ein konstantes Drehmoment verlangt. Die Erfahrung
zeigt aber, daßdurch Luftwiderstände und andere Einflüsse das Drehmoment im allgemeinen
mit der Drehzahl etwas ansteigt. Erfolgt der Antrieb des Flüssigkeitsgetriebes mit
veränderlicher Drehzahl, so würde mit steigender Antriebsdrehzahl bei gleicher Einstellung
des Getriebes auch die Abtriebsdrehzahl steigen. Das kann vermieden werden durch
eine Steuerung nach der Erfindung, indem eine mit steigendem Förderdruck (infolge
des durch höhere Drehzahl wachsenden Drehmomentes) wachsende Steuerkraft herbeigeführt
wird, die z. B. gegen eine Feder arbeitet und den Flüssigkeitsmotor auf größere
Exzentrizität, also kleinere Drehzahl bringt. Es ist auf diese Weise möglich, wenigstens
Drehzahlspitzen abzuschneiden.
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Bei den beiden vorstehend erläuterten Anwendungsbeispielen dient die
Stellkraft dem Zweck, einen selbsttätigen Regelvorgang im Zusammenwirken mit einer
zweckmäßig einstellbaren Feder herbeizuführen. Die Kraft kann aber auch lediglich
zur Spielaufnahme in der Steuerung der Maschine oder als Rückstellkraft in selbsttätigen
Steuerungen dienen. Erfolgt die Einstellung der Förder- bzw. Schluckmenge z. B@.
durch einen Servomotörkolben, so kann erfindungsgemäß dieser als einfach wirkender
Tauchkolben ausgebildet sein., während er beim Fehlen der durch die Erfindung erzielten
Stellkraft als doppelt wirkender Kolben ausgeführt sein müßte. -In der Zeichnung
ist die Erfindung in Anwendung auf eine Flügelkolbenmaschine veranschaulicht, und
zwar zeigen die Fig. i bis 7 den Querschnitt durch eine solche Maschine mit verschieden
ausgestalteter Steuerung.
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In einem zylindrischen Gehäuse i o, das am besten frei um seine Achse
drehbar im Gestell der Maschine gelagert ist, läuft um eine parallele Achse i i
eine Trommel i2 mit radialen, am Umfang mündenden Schlitzen 13, in denen
Flügelkolben 14 verschiebbar geführt sind. Diese Kalben legen. sich unter der Wirkung
der Fliehkraft oder nicht näher dargestellter Federn innen an das Gehäuse i o an
und
zerlegen den Raum zwischen dem Gehäuse io und der Trommel 12
in einzelne Zellen 15, deren Größe sich beim Umlauf der Trommel 1-2 ändert. Das
Maß dieser Änderung hängt vom Abstand der Achsen der Elemente i o und 12 ab.
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Da das Gehäuse io um seine Achse frei drehbar ist, kann es von den
Flügelkolben 14. mitgenommen und in Drehung versetzt werden, so. daß zwischen den
Flügelkolben und der Innenwandung des Gehäuses io nur eine geringe Reibung entsteht.
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Die Trommel 12 hat eine zu ihrer Achse i i gleichachsige Bohrung und
ist auf einer am Maschinengestell befestigten hohlen Achse gelagert, die der Länge
nach von einem Saugkana116 und einem Druckkanal 17 durchsetzt wird. Diese beiden
Kanäle haben je eine im Bereich der Lagerfläche der Trommel 12 liegende Öffnung.
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Zwischen den Schlitzen 13 hat die Trommel 12 radiale Kanäle 23, die
vom Umfang bis zur inneren Lagerfläche verlaufen und dort beim Umlauf der Trommel
abwechselnd mit dem Saugkanal 16 und dem Druckkanal 17 in Verbindung treten. Zur
Änderung des Hubvolumens ist die Achse des Gehäuses io längs der waagerechten Linie
18-18 beweglich geführt und verstellbar. Bei diesem Ausführungsbeispiel .der Erfindung
stellt daher das Gehäuse io das Stellglied dar, welches das veränderliche Hubvolumen
der Verdrängerzellen bestimmt.
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Bei bekannten Ausführungen dieser als Pumpe oder Flüssigkeitsmotor
verwendbaren Flügelkolbenmaschine liegen die Steuerkanten 1g-22 symmetrisch zur
Achse 18-18. Dabei ist der Abstand der beiden Steuerkanten rg und 2o bzw. 21 und
22 nur wenig größer bemessen als die Breite der inneren Mündungen der Kanäle 23.
Das hat die Wirkung, daß die Gesamtkraft, zu der sich die von der Flüssigkeit auf
die Innenseite des Gehäuses io wirkenden Kräfte zusammensetzen, im allgemeinen rechtwinklig
zur Achse 18-18 verläuft und daher keine Verstellung des Gehäuses io herbeiführt.
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Für die Zwecke der Erfindung sind jedoch eine oder mehrere der Steuerkanten
1g-22 unsymmetrisch angeordnet.
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So zeigt Fig. i einen Fall, in welchem zwar die Steuerkanten
19, 20 und 2z ihre bisher übliche symmetrische Lage beibehalten haben, während
die Steuerkante 21 einen größeren Winkelabstand von der Linie 18-18 besitzt.
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Es sei angenommen, daß die Maschine als Motor arbeitet, dem die Druckflüssigkeit
durch den Kanal 17 zugeführt wird, während der Kanal 16 mit dem Auslaß verbunden
ist. Solange die Zellen 15 den in Fig. i oberhalb der Linie 18-18 liegenden Bereich
durchlaufen, vergrößert sich ihr Inhalt. Sie stehen währenddessen mit dein Druckkanal
17 in Verbindung. Während die Zellen jedoch den Bereich unterhalb der Linie
18-18 durchlaufen, verkleinern sie sich. Sie sind dabei auf Abfluß geschaltet. Man
erkennt nun, daß infolge der Verlegung der Steuerkante 21 jede Zelle sowohl von
der Druckleitung 17 als auch von der Abflußleitung 16 längere Zeit abgeschlossen
bleibt, während ihr Kanal 23 von dem die Steueröffnungen trennenden, Steg 24. überdeckt
wird. Die durch -den Steg 24 geschlossen gehaltene Zelle 15 durchläuft im Augenblick
dieses Abschlusses, der bei der in Fig. i gezeichneten Lage noch nicht ganz erreicht
ist, ihren Totpunkt, in welchem der Rauminhalt ein Mindestmaß hat. Bis die Zelle
wieder eröffnet und an die Leitung 17 angeschlossen wird, erfährt sie eine Vergrößerung
ihres Inhaltes, so daß in ihr ein Unterdruck entsteht. Dieser sucht das Gehäuse
io in Richtung des Pfeiles a5 zu verstellen. Der Verstellung wirkt eine schematisch
bei 26 angedeutete Feder entgegen. Die Kraft 25 ist indessen nicht nur durch den
Unterdruck bedingt, welcher in der durch den Steg 24 während ihrer Vergrößerung
geschlossen gehaltenen Zelle entsteht, sondern außerdem durch den Überdruck, den
die Druckflüssigkeit in den mit der Druckleitung 17 verbundenen Zellen auf das Gehäuse
io ausübt. Die Kraft 25 hängt daher wesentlich von dem Druckunterschied zwischen
den Leitungen 16 und 17 ab, ohne jedoch beim. Sinken dieses Druckunterschiedes auf
Null ebenfalls zu verschwinden. Darin liegt ein wesentlicher Vorteil gegenüber solchen
selbsttätigen Steuerungen, die ausschließlich vom Förderdruck abhängen.
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Die Steuerung nach Fig. i kann z. B. verwendet werden, um den Flüssigli:eitsmotor
auf gleichbleibende Leistung zu regeln, indem durch die Stellkraft 25 bei steigendem
Förderdruck der Flüssigkeitsmotor entgegen der Wirkung der Feder 26, auf größeres
Schluckvermögen und damit niedrigere Drehzahl und höheres Drehmoment eingestellt
wird.
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Freilich wirkt die Kraft 25 bei der Anordnung nach Fig. i nicht gleichförmig,
da sie jeweils unterbrochen wird, wenn eine Zelle 15 zum Druckkanal 17 oder auf
der Gegenseite zum Abflußkanal 16 geöffnet wird, so lange, bis die folgende Zelle
15 durch die Steuerkante 22 abgeschlossen wird bzw. der Flügelkolben 14 auf der
G.°gen.seite die Winkelstellung durchlaufen hat, die dem Winkelabstand der Steuerkante
21 entspricht. Um zu verhindern, daß während dieser Intervalle das Gehäuse io eine
unerwünschte Verstellung durch die Feder 26 erfährt, kann die Verschiebung des Gehäuses
io entsprechend gedämpft werden, entweder durch besondere Dämpfungsmittel, z. B.
.durch einen Dämpfungskolben, der mit dem Gehäuse io verbunden ist, oder lediglich
durch die Größe der Masse des Gehäuses io. Diese muß in Abhängigkeit von der Federkraft
und der von der Drehzahl abhängigen Dauer der Unterbrechung der Stellkraft 25 gewählt
werden.
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Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform sind die Steuerkanten
ig-2i in der bisher üblichen symmetrischen Lage beibehalten, während die Steuerkante
22 einen größeren Winkelabstand von der Achse 18-18 besitzt. Das hat zur Folge,
daß jede Zelle sowohl von der Druckleitung 17 als auch von der Abflußleitung 16
längere Zeit abgeschlossen bleibt, während ihr Kanal 23 von dem die Steueröffnungen
trennenden Steg 24 überdeckt wird. Während dieser Zeit verringert sich aber dass
Volumen der Zelle 15. In ihr entsteht daher ein Überdruck. Dieser Überdruck wirkt
in Richtung des Pfeiles 27
auf das Gehäuse io und sucht dieses daher
im Sinne einer Verringerung der Exzentrizität des Gehäuses io gegenüber der Trommel
12, also im Sinne einer Verringerung des Schluckvermögens des Motors zu verstellen.
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Die Stellkraft 27 kann z. B. als Rückstellkraft für einen Servomotorkolben
benutzt werden, mit dem der Flüssigkeitsmotor in Abhängigkeit vom Förderdruck auf
gleichbleibende Leistung geregelt werden soll. Bedeutsam ist dabei, daß die Kraft
27 von dem zwischen den Leitungen 16 und 17 herrschenden Druckunterschied im wesentlichen
unabhängig ist. Infolgedessen ist die Zuverlässigkeit der Steuerung auch dann gewährleistet,
wenn dieser Druckunterschied sehr gering wird, wodurch sich die Steuerung vorteilhaft
von solchen unterscheidet, die ausschließlich vom Förderdruck abhängen.
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Fig.3 veranschaulicht eine Ausgestaltung der Steuerung, bei welcher
lediglich die Steuerkante ig eine Versetzung in Drehrichtung erfahren hat. Das hat
die Wirkung, daß, wenn die Zelle @i 5 beim Umlauf der als Motor wirkenden Maschine
die Linie i8-i8 an der rechten Seite durchläuft und damit den Totpunkt überschreitet,
sie zunächst geschlossen bleibt, obgleich ihr Inhalt sich wieder verringert. Sie
ist also mit Druckäl gefüllt, dessen Druck durch Verringerung des Volumens noch
zunimmt. Dieses Drucköl übt auf das Gehäuse io eine Kraft in Richtung des Pfeiles
28 aus. Die Größe dieser Kraft hängt aber innerhalb gewisser Grenzen von dem Druck
ab, der in der betreffenden Zelle 15 vor deren Verschließen durch die Steuerkante
2o bestand. Dieser Druck aber ist wiederum vom Druckunterschied zwischen den Kanälen
16 und- 17 abhängig.
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Im übrigen hängt die Kraft 28 auch von der jeweiligen Exzentrizität
des Gehäuses io ab, weil diese Exzentrizität das Maß bestimmt, um das sich der Inhalt
der Zelle 15 beim Durchlaufen des vorstehend in Betracht gezogenen Bereiches verändert.
Auch -in diesem Fall wirkt der Kraft 28 eine nachgiebige Kraft entgegen, die sich
in Abhängigkeit vom Weg des Gehäuses io nach einer passend gewählten Kennlinie verändert
und von einer Feder gebildet werden kann, die der Einfachheit halber nicht mit dargestellt
ist. Ferner hängt der Regeldruck von der Drehzahl der Maschine ab, denn wegen der
unvermeidlichen Schlupfverluste sinkt der Regeldruck mit abnehmender Drehzahl.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. ¢ hat nur die Kante 2o eine Versetzung
entgegen der Umlaufrichtung erfahren. Infolgedessen wird die mit Drucköl gefüllte
Zelle 15 durch die Steuerkante 2o bereits abgeschlossen, bevor sie den Totpunkt
erreicht. -Nach ihrem Abschluß vergrößert sie ihren Inhalt, so daß sich das in ihr
eingeschlossene Drucköl entspannt. Infolgedessen setzen sich die gesamten auf die
Innenseite des Gehäuses io wirkenden Flüssigkeitskräfte zu einer- Resultierenden
zusammen, die eine Komponente 29 in Richtung der Linie 18-18 aufweist. Die Kraft
29 sucht das Gehäuse io im Sinne einer Verkleinerung der Exzentrizität zu verstellen
und ist von der Größe des Druckunterschiedes zwischen der Druckseite 17 und der
Abflußseite 16 abhängig, wird aber auch von dem Weg der Verstellung des Gehäuses
io beeinflußt.
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Etwas anders gestalten sich die Kräfte, wenn die Maschine als Pumpe
wirkt. Es ist dies in den Fig. 5 bis 7 dargestellt.
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In Fig. 5 wird die Trommel i2 in Pfeilrichtung durch eine äußere Kraftquelle
angetrieben. Die sich verkleinernden Zellen führen das aus ihnen verdrängte Öl dem
Druckkanal 16 zu, während die sich erweiternden Zellen Öl durch den Kanal 17 ansaugen.
Die Verlegung der Steuerkante 22 hat eine ähnliche Wirkung wie in Fig. 2. Es entsteht
also die Kraft 25 (Fig. 5), die, ähnlich wie die Kraft 27 in Fig. 2, von der Höhe
des Förderdruckes weitgehend unabhängig ist und daher eine selbsttätige Verstellung
der Exzentrizität auch dann ermöglicht, wenn der Förderdruck im Kanal 16 sehr gering
sein sollte und nicht ausreichen würde, um in bekannter Weise einen Verstellkolben
für das Gehäuse io anzutreiben. Die Feder 26 gemäß Fig. i, die auch in diesem Falle
vorgesehen ist, ist der Einfachheit halber nicht mit dargestellt.
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Die Verlegung der Steuerkante 22 hat insofern eine von der Fig. i
etwas abweichende Wirkung, als die Kraft 25 auch von dem auf die andere Seite des
Gehäuses io wirkenden Förderdruck beeinflußt wird. Auch ergibt sich insofern eine
gewisse Abhängigkeit vom Druckunterschied zwischen den Kanälen 16 und 17, als die
Verdichtbarlceit des Öles in der durch die Steuerkante 22 abgeschlossenen, sich
verkleinernden Zelle von dem Anfangsdruck bei Abschluß des Zelleninhaltes abhängt.
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In Fig. 6 sind die Steuerkanten 2,1 und 22 in der Umlaufrichtung versetzt.
Das hat die Wirkung, daß die auf die Innenfläche des Gehäuses io wirkenden Kräfte
eine unausgeglichene Resultierende mit einer Komponente 30 erzeugen, welche
die Exzentrizität der Pumpe zu verkleinern sucht und durch eine Feder mit gewünschter
Kennlinie ausgeglichen werden kann.
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In Fig. 7 ist die Steuerkante ig versetzt, ähnlich wie in Fig. 3.
Es wird dadurch der Bereich der unter dem Druck der Saugleitung 17 stehenden Innenfläche
des Gehäuses io vergrößert, was eine Kraftkomponente 31 erzeugt, die ebenso wirkt
wie die l;@omponente 3o .der Fig. 6 und ebenso wie diese vom Förderdruck im Kanal
16 abhängig isst.
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In allen Fällen kann der Hub des Gehäuses io in beiden Richtungen
durch einen einstellbaren Anschlag, z. B. in Gestalt einer Stellschraube begrenzt
sein.
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Die Ausführungsform der Fig. 2, bei welcher die Stellkraft 27 von
dem zwischen den Leitungen 16 und 17 herrschenden Druckunterschied im wesentlichen
unabhängig ist, kann auch verwendet werden, um die Drehzahl der als Motor wirkenden
Maschine gleichbleibend zu erhalten, sofern diese mit gleichbleibendem Druck gespeist
wird, etm#a durch Vorschaltung eines Speichers oder durch Vorschaltung einer auf
gleichbleibenden Druck geregelten Pumpe.
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Die Stellkraft 27 hängt nämlich von der Drehzahl der Maschine ab.
Wegen der unvermeidlichen Schlupfverluste sinkt sie mit abnehmender Drehzahl.
Trifft
man nun die Anordnung so, daß der Regeldruck entgegen der Kraft einer Feder das
Hubvolumen zu verringern sucht, dann ergibt sich die gewünschte Wirkung: Wenn infolge
einer Entlastung des Flüssigkeitsmotors dessen Drehzahl steigt, dann wächst der
Regeldruck, verringert das Hubvolumen und schwächt dadurch das erzeugte Drehmoment,
was ein entsprechendes Sinken der Drehzahl herbeiführt.