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Einrichtung zur Führung hydraulisch beaufschlagter Kolben Die Erfindung
bezieht sich auf eine Einrichtung zur hydraulischen Führung von Kolben und Zylin#
dem bzw. zur hydraulischen Lagerung von Wellen oder ebenen Platten für Meßgeräte
und Steuerungen mit gfinger oder ohne Relativbewegung zwischen den beiden den Spalt
bildenden Teilen der Führung bzw. Lagerung, 'bei der ein flüssiges oder gasförmiges
Medium in den Spalt zwischen Kolben und Zylinder oder die gegeneinander gelagerten
Teile gepreßt wird.
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Bei Meß- und Regelgeräten, insbesondere bei solchen, bei denen eine
Kraft eine Verschiebung verursachen soll, ist es zum Erreichen einer höchstmögliehen
Genauigkeit erforderlich, die Reibung zwischen Teilen solcher Geräte, die kleine
und kleinste Bewegungen gegeneinander auszuführen haben, auf ein Minimum zu reduzieren.
Bekanntlich läßt sich eine solche Reibung praktisch dann so gut wie völlig ausschalten,
wenn sich zwischen den beiden Fuhrungsteilen ein gasförmiges oder flüssiges Medium
befindet, da die Gas- oder Flüssigkeitsreibung unmittelbar der Verschiebegeschwindigkeit
der Teile gegeneinander proportional ist.
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Kolben von Steuerungen und Meßgeräten haben meist einen kreisrunden
Querschnitt, manchmal aber auch von der Kreisform abweichende Umrißflächen und sind
naturgemäß in einer ebenso ausgebildeten Zylinderbüchse geführt. In jedem Fall wird
dabei dafür gesorgt, daß zwischen dem Kolben und der Büchse ein paralleler Spalt
von einer bestimmten gewollten Dicke verbleibt. Wenn ein solcher Kolben von einer
Seite durch hydraulischen Druck beaufschlagt wird, so strömt dann durch diesen Spalt
Flüssigkeit in Richtung des Druckgefälles. Es ist bekannt, daß die Lagerung emies
solchen hydraulisch beaufschlagten Kolbens und seiner Führung keineswegs stabil
ist, sondem daß bei einer sehr kleinen außermittigen Verlagerung des Kolbens Kräfte
entstehen, die bestrebt sind, die Exzentrizität des Kolbens zu vergrößern und diesen
fest an die Zylinderwand anzudrücken. Es sind verschiedene Maßnahmen zur Behebung
dieses Mangels bekannt. Teilweise sind diese Maßnahmen erfolgreich gewesen,
jedoch technisch aufwendig und mit gewissen betrieblichen Mängeln behaftet.
So zeigt z. B, eine bekannte Stützquellenlagerung hydraulischer Führungen (deutsche
Patentschrift 730 546) zwar sehr gute Führtingseigenschaften, deren Funktion
jedoch durch Verstopfen der dort notwendigen sehr engen Drosseln im Betrieb gefährdet
werden kann.
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Andere bekannte Ausführungen betreffen hydraulisch geführte Kolben,
bei denen eine Herabsetzung der Bewegungsreibung zwischen Kolben und Zylinderwand
angestrebt wird. Dazu sind am Umfang der Kolben Kammern angebracht, die über Drosselkanäle
mit der Druckseite des Kolbens in Verbindung stehen, wobei das Abströmen des von
der Drossel zugeführten öles durch den Spalt zwischen Kolben und Zylinder erfolgt.
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Diese Ausführungen erreichen zwar ein Zentrieren der Kolben. Sie haben
jedoch den Nachteil der umständlichen Herstellung und sind außerdem durch Verschmutzung
in ihrer Funktion sehr stark gefährdet; denn sobald einer der Drosselkanäle sich
durch Schmutzteilchen verstopft, ist die betreffende Kammer wirkungslos, und der
Kolben wird dort an die Wand gepreßt werden.
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Durch die Erfindung sollen die vorstehend genannten Nachteile beseitigt
werden, und zwar dadurch, daß eines der Führungsteile in Strömungsrichtung hintereinander
und quer zur Strömungsrichtung verlaufende nutenförmige Ausnehmungen aufweist, zwischen
denen sich bei Kolben an sich bekannte keilförnüge Flächen befinden, die mit dem
gegenüberliegenden Führungsteil einen in Strömungsrichtung sich verengenden Spalt
bilden.
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Die erfmdungsgemäße Einrichtung kann vorteilhaft auch zur hydraulischen
Lagerung von Wellen mit geringer oder ohne Relativbewegung verwendet werden und
ist dann so ausgebildet, daß die Mündung der Druckmittelzufuhr in der Mitte des
Lagerbereichs der Welle angeordnet ist, so daß eine symmetrische Spaltströmung nach
beiden Seiten der Welle erfolgt.
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Schließlich besteht ein weiterer Vorschlag gemäß der Erfindung darin,
die Einrichtung, zur hydraulischen
Lagerung von ebenen Platten
mit geringer oder ohne Relativbewegung zu verwenden, und zwar dadurch, daß in dem
tragenden Führungsteil eine Druckkammer vorgesehen ist, die von einer oder mehreren
konzentrischen Ringnuten umgeben ist, wobei zwischen der Druckkamnier und der inneren
Ringnut und zwischen den Ringnuten jeweils in Strömungsrichtung ansteigende ringförmige
Schrägflächen vorgesehen sind.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung ermöglicht eine einfache Herstellung
der Oberflächen der gegeneinander bewegten Teile. Im Betrieb sind die konisch verlaufenden
Spalte mit Quernuten relativ unempfindlich gegen Verschmutzung; denn ein etwa in
den Spalt eingedrungenes Schmutzteilchen wird die Strömung kaum stören, so daß also
auch keine Beeinflussung der Druckverteilung im Spalt vorkommen
kann. Auch
können sich Schmutzteilchen in den Quernuten absetzen und damit aus der Strömung
ausgeschieden werden, so daß innerhalb kurzer Zeit ein nachteiliger Einfluß ausgeschaltet
wird.
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Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigt F i g. 1 eine Skizze zur physikalischen Erläuterung der Vorgänge
bei der erfindungsgemäßen Einrichtung, F i g. 2 eine Kolbenfährung, F i
g. 3 eine Wellenlagerung und F i g. 4 die )Lagerung einer Platte.
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Wenn ein zähes Medium einen parallelen Spalt durchströmt, so entsteht
in diesem Spalt ein Druckgefälle, das in Strömungsrichtung linear abnimmt. Wenn
der Spalt nicht parallel ist, sondern sich in Strömungsrichtung verjüngt, so entsteht
eine Druckabnahme, wie in F i g. 1 angedeutet. Die Strömungsrichtung, von
links nach rechts, ist durch einen Pfeil angedeutet, und die Spaltbegrenzung
1 gibt den Spalt bei paralleler Lage an, die Begrenzung l' zeigt die
Spaltbegrenzung bei nichtparalleler Lage. Die Druckverteilung, die sich bei einem
parallelen Spalt ergibt, ist mit 2 angegeben, diejenige für den nichtparallelen
Spalt l' mit 2.
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Nun hängt die Druckverteilung bei einem nichtparallelen Spalt
l' nicht nur allein von der Neigung der einander gegenüberliegenden Flächen
ab, sondern auch von der mittleren Dicke dieses Spaltes 1.
Wird der Spalt
vergrößert, d. h., es liegt ein dickerer Spalt vor, wie in F i
g. 1 punktiert eingetragen und mit sm' bezeichnet, dann ergibt sich eine
Druckverteilung nach der strichpunktierten Kurve 2".
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Dieser physikalische Effekt kann nun zur reibungsfreien Lagerung von
Kolben in entsprechenden Führungen sowie auch von anderen langsam umlaufenden Teilen
Verwendung finden, wobei deren Umlaufgeschwindigkeit bis zu Null gehen kann.
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In F i g. 2 ist ein Kolben 4 dargestellt, der in einem Zylinder
3 geführt ist, wobei der Kolben 4 in Richtung der von oben nach unten gehenden
Pfeile von einem unter Druck stehenden Medium beaufschlagt wird. Der Kolben ist
in Strömungsrichtung sich schwach kegelig erweiternd ausgebildet, und zwar so, daß
die Spalte la, die -zwischen dem Kol -ben 4 und dem Zylinder 3 vorhanden
sind, sich in Strömungsrichtung verengen. Wird bei einer derartigen Einrichtung
der Kolben 4 aus der Mittellaae verschoben, so daß also auf der einen Seite der
Spalt la sich erweitert, hingegen.auf der gegenüberliegenden Seite enger wird, so
ergibt sich übet den weiteren Spalt eine Druckverteilung, die etwa der Kurve 2'
gemäß F i g. 1 entspricht, während über dem engeren Spalt sich eine Druckkurve
2 gemäß F i g. 1 feststellen läßt. Da die Drücke auf beiden Seiten des Kolbens
gegeneinander wirken, verbleibt bei einer derartigen Druckverteilung ein Drucküberschuß,
wobei diese Druckkraft auf die Kolbenfläche einwirkt und bestrebt ist, den Kolben
wieder in die Mitte zurückzubewegen; der Kolben wird also dadurch wieder zentriert.
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Es ist vorteilhaft, wie F i g. 2 zeigt, den Kolben in einzelne
Abschnitte zu unterteilen, wobei man jeden dieser Abschnitte durch eine Ringnut
begrenzen kann. Zu diesem Vorschlag kommt man durch die Überlegung, daß man, wenn
man die ganze Kolbenlänge zur Führung benutzen würde ' d. h. also, wenn nur
ein einziger Abschnitt zur Verfügung stehen würde, der Kolben wohl zunächst zentriert
werden würde, aber bei einer Belastung durch ein Moment senkrecht zu seiner Längsachse
nicht die gewünschte Stabilität besitzt. Es würde in einem solchen Fall dann ein
Kippen des Kolbens eintreten, der sich mit einer seiner Kanten an die&Wand anlehnen
würde, so daß ein einseitiger Druck gegen die Wand zwangläufig eintreten würde.
Die Ausbildung, wie sie F i g. 2 zeigt, ermöglicht es, derartige Momente
gut aufzunehmen, da der Kolben in einzelne Abschnitte unterteilt ist und auf diese
Art die Neigung einer Schräge in jedem Falle größer bleibt als der maximal entstehende
Kippwinkel. Im übrigen ist es auch erforderlich, daß dann, wenn der Kolben sich
so weit verschieben sollte ' daß er teilweise aus der zylindrischen Bohrung
austritt, innerhalb der Bohrung noch mindestens zwei Abschnitte des Kolbens verbleiben,
um so die notwendige Wirkung zu ermöglichen. Im übrigen können die Nuten5 ebenso
in der Zylinderwandung eingearbeitet werden, wie sie in F i g. 2 als Unterteilung
der Kolbenfläche dargestellt sind. In einem solchen' Fall bliebe der Kolben dann
glatt.
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Die Lagerung von drehbaren Zapfen in Büchsen, die aus der Ruhelage
reibungsfrei bewegt werden sollen, zeigt F i g. 3. Ein Lagergehäuse
6 ist mit einer Druckkarnrner 8 vorgesehen, in die in Richtung des
eingezeichneten Pfeiles, von unten nach oben, ein Medium unter einem bestimmten
Druck zugeführt wird. In dem Gehäuse 6 ist ein Lagerzapfen 7 eingesetzt,
der durch Nuten 10 wieder in Teilstücke aufgeteilt ist, die eine leicht kegelige
Oberfläche haben und auf den beiden Seiten gegeneinander gerichtet sind, so daß
sich die Spalte jeweils in Strömungsrichtung verengen. Für eine derartige Lagerung
gilt das gleiche, wie zu der in F i g. 2 beschriebenen dargelegt wurde.
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Ein praktisches Beispiel für eine Lagerung von Teilen, die ebene Bewegungen
aus einer Ruhelage heraus auszuführen haben, ist in F i g. 4 dargestellt.
Einem feststehenden Teil 11 einer Lagerung steht ein bewegliches Teil 12,
auf den eine Kraft P einwirkt, gegenüber. Das bewegliche Teil 12 eines solchen Lagers
soll in der Ebene des Pfeiles b auf beiden Seiten verschoben werden können.
Einer in Teil 11 eingearbeiteten Druckkammer 14, die z. B. kreisförmig sein
kann, wird durch eine Leitung 13 in Richtung des Pfeiles a ein Druckmittel
zugeführt. In die Fläche des feststehenden Teiles 11 sind Rillen
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eingearbeitet, die konzentrisch um den hier kreisförmig angenommenen Drackraum
14 verlaufen und
zwischen denen nach außen kegelig ansteigende Flächen
vorgesehen sind.
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Auch hier liegen die gleichen Verhältnisse vor wie bei der Ausführung
nach F i g. 2.