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Hydraulischer Transformator Die stufenlose Regelung von Flüssigkeitsgetrieben
mit stufenlos regelbar rotierendem Ölmotor wird bei konstanter Leistung im allgemeinen
dadurch bewirkt, daß bei konstanter Einstellung der Pumpe, also des Primärteiles,
das Hubvolumen (Schluckvermögen) des Sekundärteils verändert wird.
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Bei Benutzung eines hin und her gehenden Motorteiles (Zylinder mit
Kolben) oder eines nicht regelbar rotierenden Motors kann eine Regelung bei konstanter
Leistung nur durch Variierung des Flüssigkeitsdruckes bei gleichzeitiger Änderung
der Ölmenge durchgeführt werden. Die selbsttätige Einhaltung des Gesetzes konstanter
Leistung konnte hierbei nur innerhalb enger Grenzen angenähert erzwungen werden.
Die Durchführung dieses Gesetzes ohne Regelung des Ölmotors, also primärseitig,
ist aber für eine Reihe von Arbeitsvorgängen von großer Bedeutung und erlaubt die
Anwendung einfacher hydraulischer Zylinder und Kolben. Beim Ziehen in Pressen und
Ziehbänken werden z. B. gewöhnlich für schwere Züge (bei großer Querschnittsabnähme)
geringere Geschwindigkeiten verlangt. Auch beim Stoßen von Rohren arbeitet man z.
B. bei der Erzeugung von Kugellagermaterial mit geringeren Geschwindigkeiten und
höheren Kräften als bei anderem Material. Normalerweise werden hohe Geschwindigkeiten
und geringe Kräfte verlangt. Auch beim Strangpressen verlangen schwere Drückarbeiten
meist geringere Geschwindigkeiten, während leichte Drücke hohe Geschwindigkeiten
erlauben.
Hier hilft nur die Primärregelung. Schließlich gibt es verschiedene Antriebe mit
rotierender Bewegung, die eine Regelung bei konstanter Leistung innerhalb eines
sehr hohen Arbeitsbereiches verlangen. Für diese Antriebe kann erfindungsgemäß die
Primärregelung mit einem Transformator zusammen mit der Sekundärregelung des Ölmotors
wirken, der dann zusätzlich stufenlos regelbar ausgebildet werden kann.
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Es sind bereits hydraulische Umformer bzw. Transformatoren nach Art
der Multiplikatoren oder Treibapparate bekannt. Hierbei wird normalerweise ein Stufenkolben
in einem Zylinder so betrieben, daß eine große Flüssigkeitsmenge geringen Druckes
auf eine große Kolbenfläche wirkt und eine kleine Flüssigkeitsmenge hohen Druckes
vor sich hertreibt. Nach Beendigung des Hubes ist die Arbeitsmöglichkeit des Multiplikators
unterbrochen; es muß ein Rückhub ausgeführt werden, und nach diesem Rückhub beginnt
der Multiplikator seine Arbeit von neuem. Durch Hinzuziehung des Ringraumes unter
dem Stufenkolben kann eine zweistufige Wirkung erzielt werden, ohne daß dadurch
die Tatsache einer unterbrochenen Förderung beseitigt wird.
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Es sind auch Treibapparate bekannt, bei denen der Druck einer Dampf-
oder Preßluftanlage in Wasserdruck umgesetzt wird, und zwar derart, dals ein sehr
großer Dampfkolben auf einen sehr kleinen Wasserkolben arbeitet. Dadurch wird sehr
hoher Wasserdruck erzeugt, wobei je nach Größe des Treibapparates eine mehr oder
minder große, aber niemals kontinuierliche Förderung möglich ist.
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Schließlich ist ein hydraulischer Transformator bekanntgeworden, der
aus mehreren Stufenkolben besteht und der durch eine Druckfiüssigkeitsquelle gespeist
wird. Die einzelnen Stufenkolben und zugehörigen Zylinderräume sind in einer gemeinsamen,.
um einen Steuerzapfen rotierenden Zylindertrommel achsparallel angeordnet. Die Kolben
sind hierbei frei fliegend in den Zylinderräumen vorgesehen.
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Bei der bekannten Anordnung sind diemechanischen Verluste bei der
Erzeugung und Verarbeitung großer hydraulischer Kräfte sehr hoch und die Reibungsverluste
beim Hinundherlaufen der Kolben ebenfalls beträchtlich.
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Durch den erfindungsgemäßen hydraulischen Transformator sollen die
mechanischen Verluste vermieden und die Reibungsverluste sehr gering gehalten werden.
Zu diesem Zweck sind die frei fliegenden Stufenkolben und die zugehörigen Zylinderräume
sternförmig- in einer rotierenden Zylinderscheibe angeordnet. Bei geringen Drehzahlen
der Zylinderscheibe und damit verringerter Zentrifugalkraft der Stufenkolben wird
diesen Kolben zusätzlich Öl von einer Hilfspumpe bekannter Bauart über eine an sich
bekannte Steuereinrichtung zugeführt.
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Die Zylinderscheibe ist vorteilhaft mit zwei oder mehreren radial
nebeneinanderliegenden Stufenkolben ausgerüstet.
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Eine praktische Ausführungsform eines solchen Transformators sieht
beispielsweise vor, daß die Kolben in einem rotierenden Zylinderteil sternförmig
angeordnet sind. Dieser Zylinderteil ist um eine Zentralachse drehbar, welche die
Kanäle für die Ölzu- und -abfuhr besitzt. Diese Kanäle können einzeln oder gruppenweise
über eine. Schalteinrichtung; verbunden werden, wodurch die verschiedenen Stufen:
des Transformators entstehen. Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, diese Radialanordnung
mit Stufenkolben mit einem Doppelhub/Umdrehung oder auch mit zwei oder mehreren
Doppelhüben/Umdrehung vorzusehen. Die Radialanordnung mit einer zwei-oder mehrstufigen
Bauform bedarf eines vor dem Transformator liegenden Schaltorgans, das nach Wahl
der Kanäle schaltet.
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In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand in einigen Ausführungsbeispielen
dargestellt, und zwar zeigt Abb. i einen Längsschnitt durch die Hälfte eines hydraulischen
Transformators mit einer Druckstufe und Rückführung des Kolbens mit Federkraft,
Abb. a einen Längsschnitt durch eine zweistufige Ausbildung und Rückführung des
Kolbens mittels Drucköl, Abb. 3 einen Querschnitt durch eine Zentralachse im vergrößerten
Maßstab zur Erzielung mehrerer Doppelhübe je Umdrehung, Abb. 4 ein Schaltschema
mit einem Steuerschieber für einen zweistufigen Transformator, Abb. 5 --inen Längsschnitt
durch einen Umsteuerschieber gemäß Schaltschema der Abb. 4 und Abb.6 eine Kolbenanordnung
mit drei Durchmessern und die dazugehörige Leitungsführung in .der rotierenden Zylinderscheibe.
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In der Zylinderscheibe S sind -die Kolben K radial angeordnet. Der
Kolben besitzt die . wirksamen Flächen f1 und f2 während die Ringfläche f3 zur Aufnahme
des Lecköles aus f1 und f2 bestimmt ist. Eine Feder F und eine Hilfsfeder F, sind
für jeden Kolben vorgesehen. Der Deckel D besitzt einen Verdrängerzylinder VZ, während
der Kolben K einen Kolbenansatz .X" aufweist. Die feststehende Zentralachse A besitzt
die Steuerkanäle für die Ölzu- und -abfuhr und eine Schlitzbuchse B.
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Das Drucköl fließt von der Pumpe in der Menge Ql mit dem Druck P1
über den Kanal Z, nach Z2 und f1. Der Kolben K geht nach innen zur Zentralachse
A zu -und drückt aus f2 -Öl in D2 mit dem höheren. Druck p2 aus. Gleichzeitig fließt
Öl aus der 'entgegengesetzten Zylinderseite Q1 mit dem Gegendruck von annähernd
o at in den Abfluß und gleichzeitig in den Raum f2 eines nach außen gehenden Kolbens.
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Der Ringraum f3 wird dabei vergrößert und verkleinert. In ihn strömt
allmählich Lecköl aus f1 und f2. Alle Räume f3 sind über den Kanal Z, der als umlaufende
Nut in der Zentralachse A ausgebildet ist, mit den Kanälen C verbunden und werden
durch eine Hilfspumpe 18 unter einen gewissen Druck gehalten. Der Druck Q52 der
Hilfspumpe 18 kann bei der vorliegenden Bauart Null sein, wenn die Zentrifugalkraft
der Kolben K ausreicht, um den Ausfluß der Flüssigkeit aus f, nach Z2 -Z, gegen
die Zentrifugalkraft des Öles und den Leitungswiderstand sowie Kolbenreibung zu
überwinden. Das ist der Fall bei gewissen Drehzahlen. Hinzu kommt noch die für den
vollen Saughub des Kolbens in der Fläche f2 notwendige Beschleunigung.
Bei
geringen Drehzahlen empfiehlt es sich, den Druck P2 über die Hilfspumpe 18 so hoch
zu halten, daß die mangelnden Zentrifugalbeschleunigungen ersetzt werden und ein
sicheres Ansaugen eintritt.
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Bei einer zweistufigen Bauform kann die Ausnutzung des Ringraumes
f3 dadurch erfolgen, daß man diesen über die Bohrungen C mit einem ähnlichen System
von Kanälen verbindet wie f2 über D2, wodurch f2 die Rolle von f 3 erhält, d. h.
daß f2 zur Beschleunigung des Kolbens herangezogen werden kann und f3 zur Erzeugung
des hohen Druckes. Wie Abb. 2 zeigt, ist es dazu notwendig, die Kanäle über ein
vor dem Transformator liegendes Umsteuerorgan wechselweise zu schalten, wodurch
man zwei Transformierungsstufen durch einfaches Umschalten der Kanalanschlüsse erhält.
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Die -in der Abb. 3 dargestellte Zentralachse ist beiderseits gestützt.
Die Beanspruchungen der vielfach durchbohrten Achse bleiben gering. Die Achse zeigt
drei Feldgruppen, d. h. drei Druck- und drei Zuflußbohrungen mit den zugehörigen
Steuerschlitzen. Bei dieser Ausführung muß in dem System Z3 f3 Überdruck herrschen,
um die Beschleunigungskräfte für den raschen Hubwechsel aufzubringen.
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Abb. 4 stellt die Anordnung einer stufenlos regelbaren Nullhubpumpe
i dar (mit selbsttätiger Einstellung der Fördermenge in Abhängigkeit vom Flüssigkeitsdruck,
ausgeführt mit einer Verstellung, welche das Gesetz konstanter Leistung weit angenähert
verwirklicht). Diese Pumpe ist abgeschirmt durch das Sicherheitsventi12. Sie saugt
Öl aus dem Ölbehälter 3 durch die Saugleitung 4 und drückt dieses Öl zunächst nach
dem Abstellschieber 5. Von hier aus fließt es entweder durch die Leitung 6 dem Ölmotor
7 direkt zu und von diesem durch die Leitung 8 in den Ölbehälter 3 zurück, oder
es fließt -wenn der Abstellschieber 5 umgesteuert ist - durch die Leitung 9, unter
Ausschaltung des Ölmotors 7 direkt in den Ölbehälter 3 zurück, oder es fließt durch
die Leitung io zum Trafo ii. Der Trafo ii wird durch den E-Motor oder eine andere
Antriebsquelle 12 -in Drehungen versetzt. Hierdurch werden die im Trafo angeordneten
Zylinderräume mit den entsprechenden Steuerkanälen der Zentralachse verbunden. Die
einzelnen Steuerkanäle sind über die Leitungen 13, 14, 15, i6, 16" mit dem Schalter
17 verbunden. Der Schalter 17 ist ein mehrfach unterteilter Kolbenschieber, dessen
Kolben im vorliegenden Falle zwei Arbeitsstellungen besitzt. (Eine Darstellung dieses
Schalters zeigt Abb. 5.) Die Schaltung ermöglicht vier Arbeitsstellungen: a) Die
Pumpe i arbeitet über den Abstellschieber 5 in die Leitung 6 durch den Motor 7.
Der E-Motor 12 steht still, ebenso der Trafo ii, oder beide laufen leer, da sie
durch die Leitung io kein Öl erhalten.
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b) Die Pumpe i arbeitet über den Abstellschieber S-und die Leitung
io auf den Trafo ii zusammen mit den früher beschriebenen Kammern f2. Die Kammern
f3 sind gegenseitig kurzgeschlossen und werden von der Hilfspumpe i8, abgeschirmt
durch das Sicherheitsventil i9, über die Leitung 2o und die Rückschlagventile 21
oder 22 aufgespeist. Das Öl fließt durch die Leitung 23 dem Motor 7 zu und von diesem
durch Leitung 8 in den Ölbehälter zurück. c) Die Pumpe i arbeitet über den Abstellschieber
5 und die Leitung io in den Trafo ii. Der Schalter 17 hat seine Endschaltstellung
eingenommen, so daß die Pumpe i in die Kammern f3 arbeitet. Die Kammern f2 sind
gegenseitig kurzgeschlossen und werden von der Pumpe 18 aufgespeist. Das Drucköl,
nun mit anderem Druck und anderer Fördermenge, fließt aus dem Schalter 17 über die
Leitung 23 dem Motor 7 zu und über die Leitung 8 in den Ölbehälter 3 zurück.
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d) Die Pumpe i arbeitet über den Abstellschieber 5 in die Leitung
9 und zum Ölbehälter zurück. Der Trafo steht still oder läuft leer. Durch die Speisung
der Kammern f2 und f 3 über die Pumpe 18, Leitung 2o, Rückschlagventil 21, 22 ist
-der Trafo ii über den Schalter 17 auch dann unter Druck gesetzt, wenn er leer läuft,
so daß ein Verschleiß nicht eintritt.
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Unter dem Ölmotor braucht man sich nicht einen rotierenden Ölinotor
vorzustellen, sondern kann man sich auch - wie oben beschrieben - einen hin und
her gehenden Ölmotor, z. B. den Zylinder und Kolben einer Presse, vorstellen. Aus
der Beschreibung geht hervor, daß es sich in diesem Falle um ein dreistufiges Aggregat
handelt, das ohne Abschalten der Pumpe i durch den Abstellschieber 5 stillgesetzt
werden kann.
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In der Abb. 6 ist ein i2stufiger Öltransformator im Schema dargestellt.
Der Kolben mit drei Durchmessern hat die wirksamen Flächen a, b und die Ringflächen
c und d. Die einzelnen Kombinationen ergeben sich aus folgender Zusammenstellung:
| Druck P Druck Drückt Leer Kombi- |
| wirkt auf I fördert I zurück , nation |
| i. a b c d alb |
| 2. a c b d a[c |
| 3. d b c a dlb |
| 4. d c b a d(c |
| 5. a + d b c - (a -f- d)ib |
| 6. a -E- d c b - (a + d)jc |
| in der anderen Richtung |
| 7. b a d c b/a |
| B. c a d b cla |
| g. b d a c bld |
| io. c d a b c/d |
| ii. b + c a d - (b -- c)?a |
| i2. b -f- c d a - (b -f- c)Id |