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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuerplatte für Hydromotoren bzw. -pumpen
vom Axialkolbentyp, mit etwa nierenförmigen Niederdruck- und Hochdruck-
Steueröffnungen, die um die Steuerplattenachse herum in Umfangsrichtung
voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei zu einer Umsteuerfläche zwischen
der Hochdruck- und der Niederdruckseite der Steuerplatte hin in die jeweils
angrenzende Steueröffnung führende Kerben vorgesehen sind. Die Erfindung betrifft
des weiteren ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Steuerplatte.
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Axialkolbenmotoren oder -pumpen besitzen in der Regel einen trommelförmigen
Zylinderblock, der achsparallel auf einem Kreis verteilt mit Zylinderbohrungen
versehen ist, in denen axial verschiebliche Kolben angeordnet sind. Die stirnseitigen
Öffnungen der Zylinderbohrungen überstreichen eine stirnseitig an dem
Zylinderblock angeordnete Steuerplatte, in der entlang einem Kreis verteilt etwa
nierenförmige Niederdruck- und Hochdruck-Steuerdurchtrittsöffnungen ausgebildet sind, um
die Zylinderbohrungen wechselweise mit einem Zufuhr- und Abfuhrkanal bzw. der
Hochdruck- und der Niederdruckseite des Aggregats zu verbinden. Dabei kommt es
beim Umsteuern von Hoch- auf Niederdruck und umgekehrt zu großen
Druckänderungen mit hohen Druckanstiegsgeschwindigkeiten, weil die offenen
Zylinderbohrungen bei Auflauf auf die Umsteuerbereiche schlagartig verschlossen und bei
Ablauf schlagartig mit Hoch- bzw. Niederdruck beaufschlagt werden, der von dem im
Zylinder herrschenden Druck abweicht. Um das schlagartige Öffnen bzw.
Verschließen und damit die hohen Druckanstiegsgeschwindigkeiten abzumildern, ist es
bekannt, in dem Übergangsbereich zwischen der Umsteuerfläche und der daran
jeweils angrenzenden Steueröffnung eine Kerbe vorzusehen, die in die jeweilige
Steueröffnung der Steuerplatte führt. Im Gegensatz zu den Steueröffnungen, die
durch die Steuerplatte hindurch führen, sind die Kerben als nutförmige Kanäle
ausgebildet, die nur zu einer Seite der Steuerplatte hin offen sind.
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In Bezug auf diese Kerben wurde festgestellt, dass diese nicht unbedeutenden
Einfluss auf die Geräuschentwicklung, den Wirkungsgrad, die Kavitation sowie die
Stabilität bzw. das Kippmoment, das bei im geschlossenen Zustand der
Steuerscheibe noch auftretenden Kolbenhüben und entsprechendem Überdruck
entstehen kann, haben. Die genannten Kerben verzögern sozusagen das vollständige
Verschließen bzw. verlegen das abrupte Öffnen der Steuernieren nach vorne,
indem sie über ihren Strömungsquerschnitt das Zylindervolumen mit der
Hochdruckseite bzw. der Niederdruckseite verbinden.
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Steuerplatten der genannten Art sind jedoch in mehrerer Hinsicht weiter
verbesserungsfähig. Insbesondere sind die Kerben an den nierenförmigen
Steuerungsöffnungen hinsichtlich Geräuschentwicklung, Wirkungsgrad, Kavitation und Stabilität
des Aggregats noch nicht optimal. Der vorliegenden Erfindung liegt daher die
Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Steuerplatte der eingangs genannten Art zu
schaffen, die aus dem Stand der Technik bekannte Nachteile vermeidet und
letzteren in vorteilhafter Weise weiterbildet. Vorzugsweise soll eine weitere
Verbesserung hinsichtlich Geräuschentwicklung, Wirkungsgrad, Kavitation und auftretendem
Kippmoment erreicht werden.
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Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe durch eine Steuerplatte gemäß
Patentanspruch 1 gelöst. In herstellungstechnischer Hinsicht wird die genannte
Aufgabe durch ein Verfahren nach Patentanspruch 8 gelöst. Bevorzugte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Steuerplatte zeichnet sich also erfindungsgemäß dadurch aus, dass die Kerben
am Übergang der Steueröffnungen zur Umsteuerfläche der Steuerplatte hin eine
Querschnittsfläche besitzen, die zur jeweiligen Steueröffnung hin bei konstanter
Kerbenbreite kontinuierlich zunimmt. Im Gegensatz zum Stand der Technik
besitzen die Kerben keinen konstanten Querschnittsverlauf. Die Kerben sind auch nicht
stufenförmig ausgebildet, sondern werden in ihrer Querschnittsfläche zur
Steueröffnung hin harmonisch größer und größer. Die vorzugsweise stetig zunehmende
Querschnittsfläche der Kerben ohne Querschnittssprünge verbessert die
Strömungsverhältnisse im Übergangsbereich der Steueröffnungen zum
Umsteuerbereich hin. Sie bewirken eine rasche und doch sanfte, harmonische Druckänderung
beim Auflaufen bzw. Ablaufen der Zylinderöffnungen auf die bzw. von der
Umsteuerfläche. Die Geräuschentwicklung kann reduziert, der Wirkungsgrad erhöht
werden. Die auftretende Kavitation bleibt so begrenzbar. Auch die Stabilität des
Aggregats kann erhöht werden, da Überdrücke und hierdurch entstehendes Kippmoment
vermieden werden, auch wenn im geschlossenen Zustand der Steuernieren noch
eine Kolbenbewegung auftritt.
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Der Verlauf der Querschnittsfläche der Kerben über die Länge der Kerben kann
verschieden ausgebildet sein. In Weiterbildung der Erfindung nimmt die
Querschnittsfläche zu der jeweiligen Steueröffnung hin linear bzw. exponential zu.
Betrachtet man die Änderung der Querschnittsfläche über die Längsrichtung der
Kerbe, ist also vorgesehen, dass die Änderung zur jeweiligen Steueröffnung hin
zumindest konstant ist, d. h. keinesfalls abnimmt und keinesfalls null ist. Im Falle des
exponentialen Querschnittsverlaufs nimmt die Änderung der Querschnittsfläche zur
Steueröffnung hin stetig zu und zu.
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Grundsätzlich wäre es denkbar, den gewünschten Querschnittsverlauf der Kerben
durch eine entsprechende Gestaltung der Kerbenbreite zu erreichen. Nach einer
besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung jedoch besitzt die Kerbe eine
konstante Breite, wobei ihre Tiefe zur jeweiligen Steueröffnung hin, in die sie
mündet, kontinuierlich zunimmt. Die Breite der Kerbe kann vom Anschnittbereich der
Kerbe abgesehen, in dem die Kerbe eine parabolische bzw. kreisbogenförmige
Kontur besitzen kann, über die gesamte Länge der Kerbe gleich bleiben. Der
gewünschte Querschnittverlauf der Kerbe wird allein durch die Tiefe der Kerbe
bestimmt. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Kerbentiefe im Anschnittbereich
stets kleiner ist als die Kerbentiefe am Übergang zur Steueröffnung.
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Um die gewünschte lineare bzw. exponentiale Zunahme der Querschnittsfläche zu
erreichen, kann die Tiefe der Kerbe zur jeweiligen Steueröffnung hin linear
und/oder exponential zunehmen. Die Steigung des Kerbenbodens gegenüber der
von der Steuerplatte definierten Ebene ist zur Steueröffnung hin mindestens
gleichbleibend oder zunehmend. Der Kerbenboden ist frei von Abschnitten, in denen zur
Steueröffnung hin eine Verflachung bzw. eine Abnahme der Steigung auftreten
würde.
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In Weiterbildung der Erfindung kann die ringförmige Steuerfläche der Steuerplatte,
in der die nierenförmigen Steueröffnungen ausgebildet sind, nicht eben, sondern
gewölbt, insbesondere sphärisch ausgebildet sein, so dass sich im Querschnitt
durch die Steuerplatte eine gekrümmte Kontur im Bereich der Steuerfläche ergibt.
In alternativer Ausbildung kann die Steuerplatte jedoch auch einschließlich ihrer
Steuerfläche flach, d. h. im wesentlichen eben ausgebildet sein. Die Kerben sind
dabei vorzugsweise im wesentlichen senkrecht zu dem jeweiligen
Steuerflächenabschnitt, in dem sie ausgebildet sind, ausgerichtet. Insbesondere kann die Achse der
Kerbe, die ihre Tiefe definiert, durch den Krümmungsmittelpunkt der Steuerfläche
gehen. Bei einer sphärischen Ausbildung der Steuerfläche liegen die Seitenwangen
der Kerben auf einer Konusmantelfläche. Bei einer ebenen Ausbildung der
Steuerfläche liegen die Seitenwangen der Kerben auf einer Zylindermantelfläche.
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Im Gegensatz zum Stand der Technik besitzen die Kerben vorteilhafterweise keine
Gerade, sondern eine gekrümmte Längsachse. Die Längsachse der Kerben kann
auf einem Teilkreis verlaufen, auf dem auch die nierenförmigen Hochdruck- und
Niederdruck-Steueröffnungen liegen. Die Längsachse kann auch auf einem
anderen Teilkreis liegen. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass die Längsachse keinen
gekrümmten Verlauf besitzt, sondern sich entlang einer Geraden erstreckt.
Vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Längsachse auf einem Teilkreis verläuft.
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Regelmäßig können mehrere Niederdruck-Steueröffnungen und mehrere
Hochdruck-Steueröffnungen in der Steuerplatte vorgesehen sein, wobei allein die jeweils
an den Umsteuerbereich der Steuerplatte angrenzenden Hochdruck- bzw.
Niederdruck-Steueröffnungen mit einer Kerbe der vorbeschriebenen Art versehen sind.
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In verfahrenstechnischer Hinsicht zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass die
Kerben mittels einem Fingerfräser in die Steuerplatte gefräst werden, wobei zu der
jeweiligen Steueröffnung hin kontinuierlich tiefer gefräst wird. Hierbei wird eine
Kerbe mit von ihrem Anschnittbereich abgesehen gleichbleibender Breite ausgebildet.
Die Steuerung der Querschnittsfläche der Kerbe erfolgt allein durch ihre Tiefe. Dies
vereinfacht die Kinematik der Vorschubbewegungen zwischen Steuerplatte und
Werkzeug wesentlich. Im Gegensatz zu vorbekannten Verfahren, wonach die
Kerben mittels einer Schleifscheibe oder einem Scheibenfräser eingebracht wurden,
können Kerben mit nahezu beliebigem Verhältnis von Kerbenlänge zu Kerbentiefe
erzeugt werden, insbesondere bestehen im Kerbenverlauf keinerlei Restriktionen
durch den bei Schleifscheiben bedingten Werkzeugauslauf. Darüber hinaus können
Kerben mit gekrümmter Längsachse gefertigt werden, die sich entlang dem
Teilkreis der Steuerplatte erstrecken, auf dem auch die nierenförmigen
Steueröffnungen liegen.
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In Weiterbildung der Erfindung wird die Fräsertiefe über die Vorschubbewegung
des Fräsers betrachtet linear und/oder exponential verändert. Es kann eine
einfache zweiachsige Vorschubbewegung vorgesehen sein. Zum einen wird zwischen
Steuerplatte und Fräser eine Relativbewegung in Umfangsrichtung der Steuerplatte
erzeugt. Bei dieser Vorschubbewegung wird der Fingerfräser entlang seiner
Längsachse zugestellt bzw. zurückgenommen, um den gewünschten Frästiefenverlauf zu
erreichen.
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Insbesondere wird der Fingerfräser zum Fräsen senkrecht auf die Steuerfläche, in
der die Kerbe gefräst werden soll, ausgerichtet. Bei einer sphärischen Steuerfläche
wird der Fingerfräser dabei derart ausgerichtet, dass er mit seiner Längsachse
durch den Krümmungsmittelpunkt der sphärischen Steuerfläche geht. Um die
Vorschubbewegung in Umfangsrichtung zu erzeugen, wäre es grundsätzlich möglich,
den Fingerfräser auf einer Konusbahn zu bewegen. Wesentlich einfacher ist es
jedoch, den Fingerfräser in Umfangsrichtung festzuhalten und die Steuerplatte um
ihre Achse zu drehen. Der Fräser wird dabei alleine in Tiefenrichtung zugestellt,
d. h. er wird entlang seiner Längsachse verfahren, um die gewünschte Frästiefe
einzustellen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles
und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
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Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Steuerplatte nach einer bevorzugten Ausführung
der Erfindung,
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Fig. 2 eine ausschnittsweise, perspektivische Ansicht der Steuerplatte aus
Fig. 1, die den Umsteuerbereich mit den daran angrenzenden
Hochdruck- und Niederdruck-Steueröffnungen sowie im Übergang
vorgesehene Kerben, die in die Steueröffnungen führen, zeigt,
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Fig. 3 eine graphische Darstellung des Tiefenverlaufs einer der Kerben in der
Steuerplatte aus den vorhergehenden Figuren, wobei Fig. 3a die Kerbe
in Draufsicht zeigt, Fig. 3b einen Schnitt durch die Kerbe entlang der
Linie A-A in Fig. 3a, und Fig. 3c mögliche Querschnittsflächenverläufe
der Kerbe über ihre Längserstreckung zeigt, und
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Fig. 4 einen Schnitt durch die Steuerplatte entlang der Linie B-B in Fig. 1.
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Der Steuerkörper, der als im wesentlichen scheibenförmige Steuerplatte 1
ausgebildet ist, besitzt in der gezeichneten Ausführung eine ringförmige Steuerfläche 2, in
der drei Niederdruck-Steueröffnungen 3, 4 und 5 sowie drei Hochdruck-
Steueröffnungen 6, 7 und 8 ausgebildet sind.
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Die Niederdruck-Steueröffnungen 3, 4 und 5 definieren eine Niederdruckseite der
Steuerplatte 1, während die Hochdrucksteueröffnungen 6, 7 und 8 eine
Hochdruckseite der Steuerplatte definieren. Es versteht sich, dass nicht zwangsweise drei
Niederdruck- bzw. Hochdruck-Steueröffnungen vorgesehen sein können. Die
jeweils drei Steueröffnungen können zu einer einzigen Steueröffnung
zusammengefasst sein. Es können auch mehr als drei Steueröffnungen auf der Hochdruck- und
auf der Niederdruckseite vorgesehen sein.
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Die Steueröffnungen 3 bis 8 liegen allesamt auf einem Teilkreis und sind
voneinander in Umfangsrichtung beabstandet. Die Niederdruck-Steueröffnungen 3, 4 und 5
sind von den Hochdruck-Steueröffnungen 6, 7 und 8 jeweils durch einen
Umsteuerbereich 9 getrennt, der von einem Abschnitt der Steuerfläche 2 bzw. einer
Umsteuerfläche gebildet ist. Die Steueröffnungen 3 bis 8 besitzen allesamt in etwa
Nierenform. Sie sind als Durchtrittsöffnungen ausgebildet, d. h. sie verbinden die
gegenüberliegenden Seiten der Steuerplatte 1. Ihre Breite in radialer Richtung
entspricht in etwa dem Durchmesser der Zylinderbohrungen des zugehörigen
Hydroaggregats.
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Wie Fig. 1 zeigt, sind die jeweils an die Umsteuerbereiche 9 angrenzenden
Steueröffnungen 3, 5, 6 und 8 mit jeweils einer Kerbe 10 verbunden, die an das an den
Umsteuerbereich 9 angrenzende Ende der jeweiligen Steueröffnung anschließt. Die
Kerben 10 sind in der gezeichneten Ausführungsform auf dem Teilkreis
angeordnet, auf dem auch die Steueröffnungen 3 bis 8 angeordnet sind. Die
Kerbenlängsachse ist also gekrümmt. Wie Fig. 1 zeigt, beträgt die Breite der Kerben 10 in
radialer Richtung nur einen Bruchteil der Breite der Steueröffnungen 3 bis 8. Auch
ihre Länge in Umfangsrichtung beträgt nur einen Bruchteil der Länge der
Steueröffnungen. Der Abstand zweier in einem Umsteuerbereich 9 angeordneter Kerben 10
ist durch ihre Länge definiert und wird je nach Anwendung mit negativer, null oder
positiver Überdeckung bemessen.
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Wie Fig. 2 zeigt, besitzen die Kerben 10 in Umfangsrichtung keine gleichbleibende
Tiefe und damit keine gleichbleibende Querschnittsfläche. Während die Breite der
Kerben 10 über ihre Erstreckung in Umfangsrichtung hinweg im wesentlichen gleich
bleibt und lediglich im Anschnitt- bzw. Kopfbereich 11 der Kerbe eine
halbkreisförmige Kontur besitzt, nimmt die Tiefe T der Kerben zu dem Fußbereich 12 der
Kerben, der am Übergang in die jeweilige Steueröffnung liegt, kontinuierlich zu. Die zur
Steuerfläche 2 hin offenen, längsnutförmigen Kerben 10 besitzen damit eine
Querschnittsfläche, die zur jeweiligen Steueröffnung hin stetig zunimmt, wie noch
erläutert wird.
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Wie Fig. 4 zeigt, kann die Steuerfläche 2 sphärisch gewölbt sein, wobei ihr
Krümmungsmittelpunkt 13 auf der Achse der Steuerplatte 1 liegt. Die Kerben 10 sind
vorzugsweise in Abhängigkeit der Wölbung der Steuerfläche 12 leicht zur Achse 15
der Steuerplatte 1 geneigt. Wie Fig. 4 zeigt, sind die Kerben 10 im wesentlichen
senkrecht zur Steuerfläche 2 ausgerichtet, d. h. ihre Achse in Richtung ihrer Tiefe
geht durch den Krümmungsmittelpunkt 13 der sphärisch gewölbten Steuerfläche 2.
Dabei können die Kerben 10 Flanken 14 besitzen, die dieselbe Tiefe besitzen. Die
Kerben sind rechts und links also jeweils genauso tief ausgebildet. Insofern als sich
die Kerben 10 entlang dem Teilkreis, auf dem auch die Steueröffnungen 3 bis 8
liegen, krümmen, liegen die die Breite definierenden Flanken 14 der Kerben 10 auf
einer Konusfläche, deren Symmetrieachse mit der Achse 15 der Steuerplatte 1
zusammenfällt. Der Kerbenboden 16 kann eben ausgebildet sein, wie dies die
Detailvergrößerung Fig. 4a zeigt. Der Boden kann auch parabelförmig ausgebildet sein,
wie dies die Detailvergrößerung Fig. 4b zeigt. Eine solche Bodenkontur entspricht
einem schrägen Zylinderschnitt und ergibt sich dann, wenn ein Fingerfräser mit
ebener Stirnfläche beim Fräsen der Kerben 10 in Längsrichtung zugestellt wird, um
das gewünschte Tiefenprofil zu erzeugen.
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Der Tiefenverlauf der Kerben 10 ist in Fig. 3 näher dargestellt. Gemäß Fig. 3b
besitzt die gezeichnete Kerbe einen Kopfbereich 11, der dem Ende der Kerbe 10
zum Umsteuerbereich 9 hin entspricht, sowie einen Fußbereich 12, der dem
Übergang der Kerbe 10 in die entsprechende Steueröffnung 3 entspricht. Die Kerbe 10
besitzt im Kopfbereich 11 eine Kopftiefe T1 und im Fußbereich 12 eine Fußtiefe T2,
wobei die Fußtiefe T2 stets größer ist als die Kopftiefe T1. In der gemäß Fig. 3b
gezeichneten Ausführung würde die Kopftiefe T1 gleich Null betragen. Es versteht
sich jedoch, dass, wie dies Fig. 2 zeigt, eine von Null verschiedene Kopftiefe
vorgesehen sein kann.
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Der Verlauf der Kerbentiefe zwischen dem Kopfbereich und dem Fußbereich der
Kerbe kann unterschiedlich ausgebildet sein. Er ist jedoch stets so ausgebildet,
dass die Steigung des Kerbenbodens gegenüber der von der Steuerplatte 1
definierten Ebene zur Steueröffnung hin nicht abnimmt oder gegebenenfalls vom
Anschnitt der Kerbe abgesehen konstant bleibt. Wie Fig. 3b zeigt, kann der
Kerbenboden einen geraden Verlauf besitzen und damit eine konstante Steigung
vorgesehen sein. Fig. 3b zeigt in gestrichelter Ausführung eine weitere Möglichkeit des
Bodenverlaufs, nämlich einen Kerbenboden mit zur Steueröffnung hin exponential
zunehmender Tiefe. Die Steigung des Kerbenbodens wird zur Steueröffnung 3 hin
größer und größer.
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Bei einer Kerbe konstanter Breite in radialer Richtung und dem in Fig. 3b
gezeichneten Tiefenverlauf ergibt sich damit eine Kerbenquerschnittsfläche F, die den in
Fig. 3c gezeigten Verlauf besitzt. Bei linearem Verlauf des Kerbenbodens 16
ergibt sich eine kontinuierliche Zunahme der Kerbenquerschnittsfläche, wie dies der
Graph A in Fig. 3c zeigt. Bei exponential zunehmender Tiefe der Kerbe 10 ergibt
sich die in Fig. 3c mit dem Graphen B gezeigte exponentiale Zunahme der
Querschnittsfläche der Kerbe 10. Fig. 3c geht dabei davon aus, dass auch im
Kopfbereich die Tiefe der Kerbe 10 größer Null ist. Der Verlauf der Querschnittsfläche F ist
nach Fig. 3c über der Längserstreckung der Kerbe 10 aufgetragen. Die
Längserstreckung kann dabei als Winkel φ oder auch als Umfangsstrecke s ausgedrückt
werden. Bei gegebener Winkelgeschwindigkeit zwischen der Zylindertrommel und
der Steuerplatte kann dies auch als Zeit t ausgedrückt werden, wie dies in Fig. 3c
gezeigt ist. Die Längserstreckung kann auch als anderer winkelabhängiger
Parameter ausgedrückt werden.
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Wie in Fig. 4 schematisch gezeigt, werden die Kerben 10 vorteilhafterweise mit
einem Fingerfräser in die Steuerfläche 2 der Steuerplatte 1 gefräst. Dabei wird
zunächst der Fingerfräser 17 in die gewünschte Ausrichtung relativ zur Steuerplatte 1
gebracht. Insbesondere wird er derart schräg angestellt, dass er senkrecht zur
gewölbten Steuerfläche 2 steht, d. h. seine Längsachse durch den
Krümmungsmittelpunkt 13 geht. Die Vorschubbewegung in Umfangsrichtung der Steuerplatte 1 wird
vorteilhafterweise durch eine Drehbewegung der Steuerplatte 1 um ihre Achse 15
erzeugt, so dass der Fingerfräser 17 entlang dem Teilkreis, auf dem die Kerben 10
liegen sollen, relativ zur Steuerplatte 1 verfahren wird und dabei quasi eine
Konusmantelfläche beschreibt. Um den zuvor beschriebenen Tiefenverlauf des
Kerbenbodens 16 auszubilden, wird vorzugsweise der Fingerfräser 17 entlang seiner
Längsachse zugestellt bzw. zurückgenommen, wie dies der Pfeil 18 in Fig. 4
symbolisiert.