DE2359022C3 - Strömungssteuerschieber - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Strömungssteuerschieber, dessen Kolben einen Steg aufweist, dessen Vorderkante mit einer Steuerkante in der Wand der den Kolben aufnehmenden Bohrung zusammenarbeitet, wobei die Umfangsoberfläche des Stegs an der Vorderkante abgeschrägt ist

Solche Strömungssteuerschieber mit abgeschrägter Stegvorderkante sind bereits bekannt Bei diesen Schiebern erfolgt keine plötzliche Richtungsänderung der Strömung, wie es bei einem rechtwinkligen Übergang an der Stegkante der Fall wäre. Damit soll verhindert werden, daß bei der Betätigung des Schiebers der Betätigungskraft entgegenwirkende Kräfte auftreten. Wie die Praxis gezeigt hat, können allein durch die Abschrägung der neben der Stegvorderkante liegenden Umfangsoberfläche die unerwünschten, auf den Steuerkolben einwirkenden Strömungskräfte nicht völlig eliminiert werden; insbesondere unmittelbar im Schließungs- ίο Zeitpunkt und im Öffnungszeitpunkt treten unausgeglichene axiale statische und dynamische Kräfte auf, die auf den Schieberkolben einwirken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die unerwünschten auf den Steuerkolben beim Schließen einwirkenden Strömungskräfte dadurch zu vermeiden, daß die Potentialströmung, die nach Bernoulli diese Kräfte erzeugt, in eine weitgehend turbulente Strömung umgewandelt wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß in der abgeschrägten Umfangsoberfläche des Stegs neben der Vorderkante in Umfangsrichtung verlaufende Nuten angebracht sind und daß die Nuten durch ein Schraubengewinde gebildet sind. Auf Grund dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strömungssteuerschiebers ergibt sich eine besonders gute Verwirbelung des Strömungsmittels, so daß die bei den bekannten Steuerschiebern auftretenden einseitig gerichteten, der Betätigungskraft entgegenwirkenden Kräfte nicht mehr auftreten oder zumindest in ihrer Wirkung sehr stark reduziert werden. Die schräge Ausgestaltung der Umfangsoberfläche des Stegs hat zusammen mit der schraubenlinienförmigen Ausgestaltung der Nuten eine Drucklinearisierung bei fortschreitendem Schließen des Schiebers zur Folge. Der erfindungsgemäße Strömungssteuerschieber läßt sich also unter Aufwendung geringer Kräfte ohne Auftreten von Druckstößen weich schließen.

Das Anbringen von Nuten bei einem Strömungssteuerschieber in der Nähe der Vorderkante des Stegs am Steuerkolben ist zwar bereits bekannt doch liegen diese Nuten in der parallel zur Achsrichtung des Schieberkolbens verlaufenden, zylindrischen Fläche am Schieberkolbensteg. Außerdem sind bei diesem bekannten Strömungssteuerschieber zusätzlich zu den in Umfangsrichtung verlaufenden Nuten in der Umfangsoberfläche neben der Vorderkante des Kolbenstegs Durchlaßkanäle vorgesehen. Wenn sich der bekannte Schieber in Schließstellung befindet fließt Strömungsmittel durch diese Durchlaßkanäle, was zur Folge hat daß der Einfluß der von der Strömung nach Bernoulli erzeugten Kräfte auf den Schließvorgang ganz erheblich ist Diese Kräfte wirken der von außen auf den Kolben ausgeübten Schließkraft entgegen. Insbesondere entstehen beim fortschreitenden Schließen Differenzdrücke, die der Kolbenbewegung entgegenwirken.

Auch eine schraubenlinienförmige Ausgestaltung der Nuten ist bei einem Strömungssteuerschieber bereits bekannt, doch liegen diese Nuten ebenfalls in der zylindrischen Umfangsfläche des Kolbenstegs. Sie haben den Zweck, eine Leckströmung in Umfangsrichtung zu erzeugen, damit der Kolben hydrostatisch konzentrisch innerhalb seiner Bohrung gehalten wird. Wie schon erwähnt wird dieses Verhalten auf Kosten einer ständigen Leckströmung erhalten, die nicht in allen Anwendungsfällen zugelassen werden kann.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß der Abschrägungswinkel der abgeschrägten Umfangsfläche des Stegs 6° beträgt.

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Strömungssteuerschiebers, wobei die Ausgestaltung der Umfangsoberfläche des Kolbensteges neben der Vorderkante nur schematisch dargestellt ist und

F i g. 2 eine vergrößerte Darstellung des Schieberkolbens mit einer genauen Darstellung der in der Umfangsoberfläche gebildeten Nuten.

In F i g. 1 ist ein innerer Abschnitt eines hydraulischen Strömungssteuerschiebers 1 dargestellt Derartige Schieber weisen üblicherweise ein Gehäuse 2 auf, in dem eine zylindrische Bohrung 3 ausgebildet ist. Durch diese hindurch erstreckt sich ein Kolben 5. Der Kolben 5 liegt dicht an der Wand 7 der Bohrung 3 an, so daß durch Bewegen des Kolbens eine Steuerung der Strömung durch das Gehäuse 2 erfolgen kann. Diese Strömung ist in F i g. 1 durch Pfeile dargestellt Das hydraulische Strömungsmittel tritt bei P ein und strömt durch verschiedene Kanäle in der Darstellung von F i g. 1 nach oben; es tritt gegebenenfalls durch die Leitung bei Saus. Die Leitung S führt in üblicher Weise entweder zu einem Sumpf oder zu einem anderen Schieber od. dgl.

Die Wand 7 der Bohrung 3 weist eine Anzahl Aussparungen 9 auf, es handelt sich hierbei im allgemeinen um die Bohrung umgebende Nuten in der Wand 7. Die Anzahl der Aussparungen hängt vom Schiebertyp, der durchzuführenden Arbeit, u. dgl. ab. Es ist eine Anzahl von Aussparungen 9 im axialen Abstand längs der Wand 7 auf jeder Seite der Leitung U vorgesehen. Zwischen den Aussparungen 9 und der Leitung 11 sind statische Gehäusekanten 13 gebildet, so daß im Gehäuse 2 eine vorbestimmte Kombination von Kanten und Nuten entsteht.

Ähnlich wie die innere Wand der Bohrung 3 mit einer Kanten-Nut-Kombination ausgerüstet ist, weist auch der Kolben 5 Stege und Einschnitte auf. Genauer gesagt

enthält der Kolben S Einschnitte 15, die im Abstand voneinander angeordnet sind. Zwischen den Einschnitten 15 liegen Stege 17. Wenn der Strömungssteuerschieber beispielsweise zum Antrieb eines rieht dargestellten Arbeitskolbens verwendet wird, sind verschiedene der im axialen Abstand voneinander angeordneten Aussparungen 9 mit dem Sumpf verbunden, während andere nicht dargestellte Aussparungen Arbeitszylinderöffnungen sind, die mit der einen oder der anderen Seite des ArbeitszyCnders verbunden sind. Wenn der Kolben 5 in der Bohrung 3 bewegt wird, liegen verschiedene Aussparungen 9 mit den Einschnitten 15 in einer Linie, so daß Strömungswege für das Hydraulikmittel gebildet werden, während verschiedene Stege 17 mit den entsprechenden Gehäusestegen 13 zur Sperrung andere Strömungswege in einer Linie liegen. Dadurch kann der Arbeitskolben die gewünschte Aufgabe erfüllen.

Unter der Annahme, daß der Schieber 1 mit einem Arbeitskolben in Verbindung steht, ist der Schieber in seiner neutralen Stellung dargestellt, in der die hydraulische Flüssigkeit, die bei Peintritt, frei durch die Aussparungen 9 und nach außen durch die Leitung 11 abströmt Dabei steht üblicherweise die nächste benachbarte Aussparung 9, die nicht dargestellt ist und im axialen Abstand von der dargestellten angeordnet ist, mit den zum Arbeitskolben führenden Zylinderöffnungen in Verbindung, die durch die Stege 17 abgeschlossen werden, die den Absperrpunkt der jeweiligen öffnung durchlaufen haben. Der Kolben wird dabei in seiner neutralen Stellung gehalten.

Wenn der Kolben 5 durch eine manuelle oder automatische Betätigung von außen entweder nach rechts oder nach links bewegt wird, dann wird eine Vorderkante A eines Steges 17 die Vorderkante B des Gehäusesteges 13 erreichen; es erfolgt eine Absperrung. Dabei erfolgt zuerst eine Verengung des Strömungsquerschnitts, durch den das Hydraulikmittel strömen kann. Dadurch wird das Strömungsmittel, welches von der Pumpe abgegeben wird, unter Druck gesetzt, und es werden statische und dynamische Unabgeglichenheiten erzeugt; diese Unabgeglichenheiten haben einen schädlichen Einfluß auf die Steuerung und erschweren die Betätigung des Schiebers.

Um in wirksamer Weise diese Unabgeglichenheiten herabzusetzen oder auszuschalten, sind neben der Vorderkante A des Steges 17 in der Umfangsoberflache des Kolljens Nuten 21 vorgesehen, die sich, wie dargestellt, in Umfangsrichtung um den Kolben 5 erstrecken.

Es sei nunmehr auf F i g. 2 Bezug genommen, wo die so Ausgestaltung der Nuten 21 im Detail erkennbar ist. Ganz allgemein gesagt, sind die Nuten 21 von einem Schraubengewinde gebildet, das in die Umfangsfläche des Kolbens 5 neben der Vorderkante A der Stege 17 eingearbeitet ist; dabei entstehen Spitzen 23 rnd ein einziges durchgehendes Tal 25, welches sich von der Vorderkante A aus nach hinten zu einem Punkt C erstreckt, d.h. bis zu dem Punkt, an dem das Schraubengewinde endet Die Umfangsoberfläche des Stegs 17 ist gemäß F i g. 2 unter einem spitzen Winkel λ gegenüber der Horizontalen abgeschrägt, und zwar derart, daß der Außendurchmesser des Steges 17 kontinuierlich nach hinten von der Vorderkante A aus zunimmt Mit anderen Worten bedeutet dies, daß der Durchmesser der Schraubengewinde zunimmt, wenn dieses von der Vorderkante A aus nach hinten läuft

Diese Schraubengewindeausbildung weist zahlreiche Vorteile auf. Aufgrund des kontinuierlichen Tals 25 entsteht ein kontinuierlicher Sekundärströmungskanal, der eine Linearisierung der Druckverminderung bewirkt Dieses kontinuierliche Tal dient ferner dazu, die Strömungsrichtung der Flüssigkeit, die durch das Tal hindurch verläuft, zu ändern, wodurch wenigstens teilweise der Geschwindigkeitsvektor verändert wird. Das Schraubengewinde kann leicht hergestellt werden, auch wenn der Kolben 5 bereits fertig ist, ohne daß die kritische Dichtungsoberfläche des übrigen Teils der Stege 17 beschädigt wird, die genau in der Bohrung 3 sitzen müssen.

In kinematischer Umkehrung der beschriebenen Ausführung kann auch vorgesehen sein, daß die Nuten neben der Vorderkante B eines Gehäusestegs angebracht sind, anstatt neben der Vorderkante des Kolbenstegs 5. Zusätzlich können die Nuten bei beiden Vorderkanten A und B vorgesehen sein. Es wurde jedoch gefunden, daß zur Erzielung der geschilderten Vorteile Nuten neben einer der Vorderkanten A oder B ausreichen. Da es üblicherweise einfacher ist, die Nuten im Kolben auszubilden statt in der Vorderkante des Gehäusestegs, ist die Umfangsoberfläche neben der Vorderkante A des Kolbens 5 der bevorzugte Ort für die Nuten.

Die tatsächlichen Abmessungen der Nuten und ihre Gesamtgröße in Beziehung zum Schieber sind nicht kritisch, da diese verändert werden können, wenn verschiedene Situationen auftreten. Auch der verwendete Winkel χ kann in Abhängigkeit von den auftretenden Betriebssituationen über einen weiten Bereich verändert werden. Dieser Winkel kann einfach durch Untersuchungen bestimmt werden, so daß die Effekte, die beim beschriebenen Schieber erzielt werden, jeweils optimiert werden können.

Als Beispiel für die Abmessungen, die in einem typischen Schieber verwendet werden können, wird auf den in F i g. 2 dargestellten Schieber Bezug genommen. Ein derartiger Schieber wird im allgemeinen verwendet, um ein Druckmittel den Enden eines doppeltwirkenden Kolbens in einem Arbeitszylinder zuzuführen, wie sie in schweren Erdbearbeitungsmaschinen, beispielsweise bei Frontladern u. dgl. verwendet werden. Typische Abmessungen für einen derartigen Schieber sind:

1. Länge des Schiebers — 23,7 cm

2. Länge der Stege — etwa 24 cm

3. Winkel« — etwa 6°

4. Axiale Länge des Schraubengewindes — etwa 0,3 cm bis 0,6 cm

5. Durchmesser des Kolbens — 3,1 cm

Prüfungen haben ergeben, daß ein derartiger Schieber leicht zu betätigen ist, genau eingestellt werden kann und zu schwach abgestuften, im allgemeinen linearen Strömungskräfteverteilungen führt, wie sie in einem ΛΎ-Koordinatensystem, in dem die Kolbenkräfte in Abhängigkeit von der Kolbenverschiebung aufgetragen sind, für den arbeitenden und den blockierten Arbeitszylinder dargestellt werden können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Strömungssteuerschieber, dessen Kolben einen Steg aufweist, dessen Vorderkante mit einer Steuerkante in der Wand der den Kolben aufnehmenden Bohrung zusammenarbeitet, wobei die Umfangsoberfläche des Stegs an der Vorderkante abgeschrägt ist dadurch gekennzeichnet, daß in der abgeschrägten Umfangsoberfläche des Stegs (17) neben der Vorderkante (A) in Umfangsrichtung verlaufende Nuten (21) angebracht sind und daß die Nuten (21) durch ein Schraubengewinde gebildet sind.

2. Strömungssteuerschieber nach Anspruch 1, da- ts durch gekennzeichnet, daß der Abschrägungswinkel der abgeschrägten Umfangsfläche des Stegs (17) 6° betrage