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Einrichtung zur Geräuschininderung bei Druckflüssigkeits-Axialkolbenmaschinen
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Geräuschminderung bei Druckflüssigkeits-Axialkolbenmaschinen
mit auf einem Mittelzapfen umlaufender Zyadertrommel, die durch Flüssigkeitsdruck,
welcher auf einen in der Mittelbohrung der Zylindertrommel angeordneten Andrückkolben
wirkt, auf den feststehenden Steuerspiegel des Maschinengehäuses gedrückt wird.
Die Zylinder der Zylindertrommel werden über nierenförmige, über etwa
180' verlaufende Aussparungen in einem relativ zu der sich drehenden Trommel
feststehenden Steuerspiegel des Maschinengehäuses abwechselnd mit einem Zu- und
einem Ablauf für die Arbeitsflüssigkeit in Verbindung gebracht.
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Zur Erzielung einer wirksamen Abdichtung zwischen dem Steuerspiegel
und der daran anliegenden Stirnseite der Zylindertrommel muß diese an den Steuerspiegel
angepreßt werden. Diese Anpressung soll, um einen übermäßigen Verschleiß der aufeinandergleitenden
Flächen zu vermeiden, von dem jeweils auftretenden hydraulischen Druck abhängig
sein, derart, daß die auftretende Leckölmenge möglichst klein ist, die Zylindertrommel
aber gerade noch auf dem Steuerspiegel schwimmt. Bei bekannten Getrieben der geschilderten
Bauart wird diese druckabhängige Anpressung dadurch erzeugt, daß ein die Zylindertrommel
gegenüber dem Steuerspiegel oder gegenüber dem Triebflansch zentrierender Mittelzapfen
einen Andrückkolben bildet, dessen in der Zylindertrommel vorgesehener Zylinder
mit der Hochdruckseite der Maschine verbunden ist und der die Zylindertrommel in
Abhängigkeit von dem auf der Hochdruckseite auftretenden Druck gegen den Steuerspiegel
preßt. Da im Bereich eines niedrigen Arbeitsflüssigkeitsdrucks die durch diese hydraulische
Anpressung erzielbare Abdichtung nicht ausreicht, ist zusätzlich noch eine diese
unterstützende* Feder vorgesehen. Da die Kraft dieser Feder bei im Steuerspiegelboden
gelagertem Mittelzapfen von dem feststehenden Mittelzapfen auf die sich drehende
Zylindertrommel übertragen werden muß, ist bei bekannten Konstruktionen dafür Vorsorge
getroffen, daß diese Feder bei Ansteigen des hydraulischen Druckes entlastet und
die Gleitfläche des Mittelzapfens von derjenigen der Zylindertrommel abgehoben wird.
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Es muß nun dafür gesorgt werden, daß der Zylinder des Andrückkolbens
immer mit der Hochdruckseite der Maschine verbunden ist. Die Hochdruckseite wechselt
aber, und zwar nicht nur bei Pumpen mit umkehrbarer Förderrichtung und Motoren mit
umkehrbarer Schluckfähigkeit, sondern auch bei nicht umsteuerbaren Maschinen, beispielsweise
im Falle von hydrostatischen Fahrzeugantrieben beim Bremsen des Fahrzeugs durch
Vergrößerung der Schluckfähigkeit des hydrostatischen Motors, durch Verringerung
der Fördermenge der Pumpe oder durch Herabsetzung der Antriebsdrehzahl der Pumpe.
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Bei bekannten Axialkolbenmaschinen mit im Steuerspiegelboden gelagertem
Mittelzapfen wird dieser Forderung dadurch Rechnung getragen, daß der Mittelzapfen
und die ihn aufnehmende Zylinderbohrung der Zylindertrommel zwei Absätze aufweisen,
durch die zwei kreisringförmige Zylinderräume gebildet werden. Einer der beiden
Zylinderräume ist mit der einen nierenförmigen Aussparung des Steuerspiegels, der
andere Zylinder mit der anderen Aussparung des Steuerspiegels verbunden, und zwar
erfolgt diese Verbindung über zwei im Mittelzapfen selbst vorgesehene Bohrungen.
Bei einer anderen bekannten Konstruktion ist nur ein einziger Zy-
linderraum
und nur eine Bohrung im Mittelzapfen vorgesehen; diese Bohrung ist über
je ein in Richtung auf die Bohrung öffnendes Rückschlagventil mit den beiden
nierenförmigen Aussparungen im Steuerspiegelboden verbunden, so daß der Andrückkolbenzylinder
immer unter dem Druck auf der Hochdruckseite der Maschine steht.
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Der auf der Hochdruckseite bestehende Flüssigkeitsdruck ist nicht
identisch mit dem Druck in den einzelnen Zylindern der Hochdruckseite, da sich beim
überfahren der zwischen den nierenförinigen Aussparungen im Steuerspiegel vorhandenen
Trennstege bekanntlich Druckspitzen in dem kurzzeitig von beiden Aussparungen abgeschnittenen
Zylinder ausbilden. Diese Druckspitzen verursachen Kräfte an der Zylindertrommel,
die im Sinne einer Abhebung der Trommel vom Steuerspiegelboden wirken. Sie sind
auch die Quelle störender Betriebsgeräusche.
Der Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, diese Geräusche zu mindern, indem die verursachenden Kräfte
mindestens teilweise abgebaut oder kompensiert werden.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgte mittels einer Einrichtung' bei der
der Zylinder des Andrückkolbens unmittelbar mit jedem Arbeitszylinder der Zylindertrommel
über ein in Richtung auf den Andrückkolbenzylinder öffnendes Rückschlagventil verbunden
und an einen stark gedrosselten Rückflußweg zur Niederdruckseite, beispielsweise
in Form eines Leckweges, angeschlossen ist. Durch diese Maßnahme C, wird zunächst,
ebenso wie bei den bekannten Lösun-"en, 01 die Wirkung erzielt, daß die Anpreßkraft
der Zylindertrommel in jedem Zeitpunkt dem auf der Hochdruckseite auftretenden Arbeitsflüssigkeitsdruck
proportional ist. Außerdem wird aber der Fortschritt erzielt, daß durch die Elastizität
der den Andrückkolbenzylinder begrenzenden Bauteile und durch die Kompressibilität
der in diesem Zylinder, dessen Volumen wesentlich größer als das der Arbeitszylinder
sein kann, enthaltenen Flüssigkeit Druckspitzen in den einzelnen Arbeitszylindern
abgebaut werden. Derartige Druckspitzen treten insbesondere beim überfahren der
zwischen den beiden nierenförmigen Steuerspiegelbodenaussparungen stehenbleibenden
Tiennstege auf, wo jeder Kolben noch eine endliche Arbeitsgeschwindigkeit hat, eine
Förderung aber nicht mehr stattfinden kann. Diese Druckspitzen äußern sich außer
in sehr unerwünschten Geräuschen auch in einer starken Beanspruchung der Maschinenbauteile.
Sowohl diese Überbeanspruchung als auch die Geräusche werden durch die erfindungsgemäße
Maßnahme in fortschrittlicher und vorteilhafter Weise bekämpft.
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Die Verwirklichung der Erfindung ist dadurch auf sehr einfache Weise
möglich, daß für alle Verbindungskanäle zwischen den Kolbentromrnel ylindern und
dem Andrückkolbenzylinder ein gemeinsames Rückschlagventil vorgesehen wird, und
zwar in Form eines in dem Andrückkolbenzylinder liegenden, die Einmündungen sämtlicher
Kanäle in diesem Zylinder abdeckenden und gegen axiale Verschiebung gesicherten
elastischen Ringes. Ein Rückschlagventil in dieser Form hat den weiteren Vorteil,
daß es fast trägheitslos arbeitet und somit auf die Druckspitzen sehr schnell anspricht.
Die Trägheit eines solchen Ventils ist wesentlich geringer als beispielsweise die
eines Kugel-Rückschlagventils. Dieser elastische Ring kann beispielsweise mit einem
nach innen gerichteten Flansch an der dem Steuerspiegel zugekehrten Endfläche des
Andrückkolbenzylinders befestigt, beispielsweise angeklebt oder anvulkanisiert werden.
Wie bereits erwähnt, werden durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen Druckspitzen in
den einzelnen Arbeitszylindern, wie sie beim überfahren des Trennsteges des Steuerspiegels
auftreten, vermieden. Erfindungsgemäß ist es in Verfolg desselben Prinzips auch
möglich, Unterdruckbildung in den einzelnen Arbeitszylindern, und zwar ebenfalls
insbesondere beim überfahren der Trennstege des Steuerspiegels, zu C ZD vermeiden,
indem jeder Zylinder der Zylindertrommel über ein in Richtung auf den Zylinder öffnendes
Rückschlagventil mit einem Niederdruck-Arbeitsflüssigkeitsvorrat verbunden ist.
Beispielsweise kann jeder Zylinder über nach außen führende Kanäle in der Zylindertrommel
mit dem die gesamte Maschine umgebenden Arbeitsflüssigkeitsvorrat verbunden werden.
Als Rückschlagventil kleinstmöglicher Trägheit wirkt zweckmäßig das gleiche Ventil,
wie im Andrückkolbeazylinder vorgesehen ist, nämlich ein die Einmündung des Kanals
in den Arbeitszylinder abdekkender und gegen axiale Verschiebung gesicherter elastischer
Ring, der ebenfalls mit einem nach innen aerichteten Flansch am Zylinderboden befestigt
sein b
kann. Auf diese Weise wird auch die Bildung eines Unterdruckes
in den Arbeitszylindern, der mit einer Dampfblasenbildung und mit Kaviation verbunden
sein könnte, mit Sicherheit unterbunden.
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Die erfindungsgemäßen Maßnahmen, durch die sowohl das Auftreten von
überdruckspitzen als auch das Auftreten von Unterdruck in den Arbeitszylindem vermieden
wird, ermöglichen auch den übergang zu einer neuen und sehr vorteilhaften Möglichkeit
zur Veränderung der Fördermenge bzw. Schluckfähigkeit einer hydrostatischen Axialkolbenmaschine.
Wenn man von den mit starken Verlusten verbundenen Drosselregelungen absieht, so
erfolgt bisher die Veränderung der Förder- bzw. Schluckmenge durch Veränderung des
Kolbenhubes, indem - je nach Bauweise der Maschine - die Schrägstellung
der Kolbentrommel. zur Mittellinie des Triebflansches oder die Schrägstellung des
Triebflansches zu der ihn tragenden Welle verändert wird. Diese Lösungen bedingen
einen sehr hohen konstruktiven Aufwand und haben einen verhältnismäßig großen Raumbedarf.
Außerdem sind der Verringerung des Anstellwinkels bei hydrostatischen Axialkolbenmotoren
dadurch Grenzen gesetzt, daß bei Herabsetzung des Schwenkwinkels unter den Reibungswinkel
infolge der auftretenden Reibung kein Moment mehr auf die Triebwelle übertragen
wird; in diesem Falle blockiert der Motor.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung eignet sich für die Anwendung eines
Verfahrens zur Änderung der Schluckmenge, welches vorsieht, den Steuerspiegel um
seine mit der Mittellinie der Zylindertrommel fluchtende Achse zu verdrehen. Die
Umsteuerung der einzelnen Arbeitszylinder von der Druck- auf die Saugseite bzw.
umgekehrt erfolgt bei Herausdrehung des Steuerspiegels aus seiner SymmetriesteRune,
nicht mehr in den Totpunkten der Kolbenbewegung, sondern während des Kolbenhubes.
Jeder Kolben legt also vor der Umsteuerung einen von der Größe des Verdrehwinkels
des Steuerspiegels abhängigen toten Weg zurück, wodurch die effektive Fördermenge
bzw. Schluckmenge des Zylinderraumes pro Umdrehung der Maschine entsprechend vermindert
wird. Diese Regelungsmöglichkeit ist nur deshalb möglich, weil gemäß der Erfindung
das Auftreten eines überdruckes oder Unterdruckes in jedem Arbeitszylinder unmöglich
gemacht ist. Wäre dies nicht der Fall, wie bei den bekannten Maschinen, so würden
in den Arbeitszylindern überaus starke Druckspitzen bzw. Unterdrucke erzeugt, weil
bei Verdrehung des Steuerspiegels aus seiner Symmetrielage die einzelnen Kolben
beim Überfahren der Trennstege wesentlich höhere Hubgeschwindigkeiten aufweisen
als bei symmetrischer Lage des Steuerspiegels. Die erfindungs-Cremäß durch Verdrehung
des Steuerspiegels erfolgende Veränderung der Förder- bzw. Schluchmenge ist konstruktiv
wesentlich einfacher und mit geringerem Aufwand durchführbar als die bisher bekannten
Verstellmöglichkeiten.
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Die Erfindung und weitere in den Patentansprüchen gekennzeichnete
Merkmale derselben
werden an Hand der beiden in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert.
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Ab b. 1 zeigt einen Axialschnitt durch die Zylindertrommel
und den Steuerspiegel-Körper bei im Triebflansch gelagertem Mittelzapfen;
A b b. 2 zeigt, ebenfalls im Axialschnitt, die Zylindertrommel und den Steuerspiegel-Körper
einer Maschine mit ün Steuerspiegelboden gelagertem Mittelzapfen.
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In beiden Abbildungen sind die Zylindertrommel mit 1, die Kolben
mit 2, die von den Zylindern 3 zum Steuerspiegel 4 führenden Verbindungskanaäle
mit 5
und der Steuerspiegelkörper mit 6 bezeichnet.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Ab b. 1 ist die Zylindertrommel
1 durch einen Mittelzapfen 7 zentriert, dessen kugeliger Kopf
8 kardanisch beweglich in dem nicht dargestellten Triebflansch gelagert ist.
Der Mittelzapfen 7 ist als Andrückkolben ausgebildet und in einem Andrückkolbenzylinder
9 verschiebbar gelagert. Der in dem Zylinder 9 herrschende hydraulische
Druck drückt die Zylindertrommel 1 gegen den Steuerspiegel 4; er wird durch
eine Feder 10 unterstützt, die insbesondere im Bereich niedriger Arbeitsdrücke
eine ausreichende Anpressung gewährleistet. Am Boden 11 des Andrückkolbenzylinders
9 ist ein elastischer Ring 12 befestigt, der die Einmündungen sämtlicher
zu den Zylindern 3 führenden Kanäle 23
in den Andrückkolbenzylinder
9 abdeckt und als Rückschlagventil mit sehr geringer Trägheit wirkt. Von
dem Andrückkolbenzylinder 9 führt eine zentrische Verbindungsbohrung
13 zum Steuerspiegel 4, über den etwas Lecköl aus dem Andrückkolbenzylinder
9 herausströmen kann. Der über den Steuerspiegel 4 führende Teil des Leckweges
ist durch eine Ringnut 14 begrenzt, die über Kanäle 15 mit der Niederdruckseite
der Maschine verbunden ist. Die Ringnut 14 liegt radial innerhalb der nierenförmigen
Aussparung 16 des Steuerspiegels 4.
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Gemäß Ab b. 2 ist der mit 17 bezeichnete Mittelzapfen
im Steuerspiegelkörper 6 gelagert, und zwar steht er unter der Wirkung einer
Tellerfeder 18, so da,ß er über den Kopf 19 die Zylindertrommel
1 gegen den Steuerspiegelkörper 6 drückt. Durch ein in einen Schlitz
20 des Mittelzapfens 17 hineinragendes, beispielsweise am Gehäuse befestigtes
feststehendes Bauteil wird eine Verdrehung des Mittelzapfens 17 verhindert.
Bei Aufbau eines hydraulischen Druckes im Andrückkolhenzylinder 9 wird die
Feder 18 etwas zusammengedrückt und dadurch der Mittelzapfenkopf
19 von der Stirnseite 21 der Zylindertrommel 1 abgehoben, so daß an
dieser Stelle keine Reibung mehr auftritt. Der Leckweg des Andrückkolbenzylinders
9
führt hier entlang der Führungsfläche 22 des Mittelzapfens 17 im
Boden der Zylindertrommel 1 und über den inneren Teil des Steuerspiegels
4; dieser letzte Teil des Leckweges ist wiederum durch eine radial innerhalb der
nierenförmigen Aussparungen 16 liegende Ringnut 14 begrenzt, die über eine
Bohrung 15 mit der Niederdruckseite verbunden ist.
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Bei beiden dargestellten Ausführungsbeispielen ist in jedem Arbeitszylinder
3 ein Rückschlagventil in Form eines Ringes 24 aus elastischem Material,
beispielsweise Kunststoff, vorgesehen, der mittels eines nach innen gerichteten
Flansches 25 am Boden des Arbeitszylinders 3 befestigt ist und die
Einmündung eines nach außen führenden Kanals 26 in den Arbeitszylinder
3 abdeckt. Die in der Zylindertrommel 1
vorgesehenen Kanäle
26 führen außen in den die gesamte Maschine umgebenden Arbeitsflüssigkeitsvorrat.
Durch die gezeigte Anordnung wird bei Auftreten eines Unterdruckes im Arbeitszylinder
3 Arbeitsflüssigkeit über die Kanäle 26 und die Rückschlagventile
24 angesaugt.
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Um den Einfluß der Fliehkraft auf die Anpressung des Ringes 24 gegen
die außenliegende Ringhälfte auszuschalten, werden vorzugsweise Ringnuten
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vorgesehen.
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Auch können die Mündungen der Kanäle 26
zwecks Zuführung von
unter einem gewissen Vordruck (Speisedruck, Spülöldruck oder Lecköldruck) stehenden
01 in an sich bekannter und beliebiger Weise mit einem geeigneten Punkt des
Kreislaufs verbunden werden, beispielsweise über eine im Steuerspiegelkörper verlaufende
Ringnut 28 und Bohrungen 29.
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Bei beiden Ausführungsbeispielen kann eine Veränderung der Fördermenge
bzw. Schluckfähigkeit der Maschine pro Umdrehung der Steuerspiegelkörper
6
um die Mittellinie der Zylindertrommel 1 verdreht werden, wobei der
wirksame Hub der Arbeitskolben 2 verändert wird.