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Kennwort: "Entlastungsscheibe" Arbeitskolben für eine hydrostatische
Kolbenmaschine Die Erfindung betrifft einen Arbeitskolben für eine hydrostatische
Kolbenmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Es handelt sich vorzugsweise um Arbeitskolben für Radialkolbenmaschinen
mit einem Kolbenführungsring, der ebene und polygonartig angeordnete Kolbenführungsflächen
aufweist und mit starr an den Kolben angeordneten Kolbenschuhen. Die Erfindung kann
aber auch bei Kolbenmaschinen mit beweglichen Kolbenschuhen angewendet werden, so
bei Radialkolbenmaschinen mit kreisringförmigem Kolbenführungsring oder bei Axialkolbenmaschinen,
deren Kolben sich auf einer feststehenden Schrägscheibe abstützen.
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In den bekannten Kolbenmaschinen dieser Art wird durch die in der
Gleitfläche des Kolbenschuhes angeordnete Entlastungstasche eine Kolbenentlastungskraft
auf den Kolben ausgeübt und somit ein weitgehender Ausgleich der Kolbenkraft bewirkt.
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Dadurch gleitet der Kolbenschuh nahezu reibungsfrei auf der Kolbenführungsfläche.
Um die Kolbenentlastungskraft möglichst exakt festlegen zu können, ist es zweckmäßig,
die Entlastungstasche durch eine nur verhältnismäßig schmale ringförmige Dichtfläche
zu begrenzen, die ihrerseits von einer mit dem Niederdruckbereich in Verbindung
stehenden Ringnut umgeben ist. Hierdurch ist die Gleitfläche des Kolbenschuhes unterteilt
in die genannte Dichtfläche und in eine im äußeren Bereich der Gleitfläche noch
verbleibende StUtzfläche. Unter Umständen kann man jedoch auch ohne eine solche
Unterteilung auskommen.
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Es ist ferner bekannt, in der Verbindungsleitung vom Zylinderraum
zur Entlastungstasche eine Vordrossel anzuordnen (DE-OS 23 52 274). Hierdurch stellt
sich in der Entlastungstasche ein gegenüber dem Zylinderraum niedrigerer Druck ein,
der nicht nur von der Vordrossel, sondern auch von der lichten Weite des Spaltes
zwischen der Dichtfläche und der Kolbenfilhrungsfläche, also von der Drosselwirkung
dieses Spaltes, abhängt. Die lichte Weite dieses Spaltes hat die Tendenz sich zu
ändern, wenn am Kolben unterschiedliche äußere Zusatzkräfte, z.B. Fliehkräfte, angreifen.
Bei der vorbeschriebenen Anordnung wird nun aber ein selbsttätiges Einregeln der
Spaltweite bewirkt, weil z.B. ein Verkleinern der Spaltweite in der Entlastungstasche
eine Erhöhung des Druckes auslöst, was ein Wieder-Ansteigen der Spaltweite zur Folge
hat.
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Bei den Arbeitskolben der vorbeschriebenen Art, insbesondere in Radialkolbenmaschinen
mit starr an den Kolben angeordneten Kolbenschuhen und mit ebenen, polygonartig
angeordneten Kolbenführungsflächen, ist es erforderlich, dafür zu sorgen, daß der
Kolbenschuh mit seiner Gleitfläche möglichst satt auf der KolbenfUhrungsfläche aufliegt,
damit Leckflüssigkeitsverluste
möglichst geringgehalten und die
am Kolben angreifenden Umfangs- und Querkräfte aufgefangen werden können. Gerade
zwischen Kolbenschuh und Kolbenführungsfläche ist nämlich die Gefahr von Leckflüssigkeitsverlusten
besonders hoch. Vor allem sind es etwaige Fertigungsungenauigkeiten, die einem satten
Anliegen des Kolbenschuhes auf der Kolbenführungsfläche entgegenwirken können. Beispiele
solcher Fertigungsungenauigkeiten: a) Die Teilung der im Zylinderblock vorgesehenen
Zylinderbohrungen weicht ab von der Teilung der polygonartig angeordneten Kolbenführungs
flächen.
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b) Die Gleitfläche des starren Kolbenschuhes liegt nicht exakt rechtwinkelig
zur Kolbenmantelfläche.
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c) In einer Kolbenmaschine mit verstellbarer Exzentrizität liegen
die Gleitflächen für den verstellbaren Steuerzapfen und die Lagerflächen für den
Kolbenführungsring nicht exakt parallel zueinander.
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d) Die Kolbenführungsflächen sind nicht exakt eben.
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Bekannte Maßnahmen zur Verminderung der Leckflüssigkeitsverluste,
die in der Abstützung des Kolbens auf der Kolbenführungsfläche auftreten: 1) Es
werden nur sehr enge Fertigungstoleranzen zugelassen; d.h. an die Fertigung der
Einzelteile werden hohe Genauigkeits-Anforderungen gestellt. Dies ist mit hohen
Kosten verbunden.
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2) Die oben unter a) bis c) genannten FertigungsungenauLgkeiten werden
durch ein verhältnismäßig großes Spiel zwischen dem Kolben und der Zylinderbohrung
ausgeglichen, so daß sich der Kolben relativ zur Achse des Zylinderraumes schrägstellen
kann. Dem sind jedoch Grenzen gesetzt, weil oberhalb eines bestimmten Durchmesser-Spiels
die Leckage zwischen Kolben und Zylinder unzulässig hoch wird.
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)) Der Kolbenschuh ist am Kolben beweglich angelenkt. Einerseits ist
dies bekannt bei einer Radialkolbenmaschine mit ebenen, polygonartigen Kolbenfünrungsflächen
(US-PS 1 696 139).
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Dort sind jedoch keine Entlastungstaschen zum hydrostatischen Ausgleich
der Kolbenkräfte vorgesehen. Statt dessen findet die Kraftübertragung von den Kolben
auf die Kolbenführungsflächen rein mechanisch mittels Rollen statt. Dies führt zu
einer komplizierten und teueren Konstruktion mit hoher Geräuschentwicklung. Problematisch
ist auch die KraftUbertragung in Umfangsrichtung vom Kolbenschuh auf den Kolben
oder umgekehrt. Andererseits sind bewegliche Kolbenschuhe bekannt bei Radialkolbenmaschinen
mit kreisrunden KolbenfUhrungsflächen (DE-OS 1 403 748). Dort ist man aber allein
schon durch die Form der Kolbenführungsfläche zur Anwendung beweglicher Kolbenschuhe
gezwungen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten
Arbeitskolben für hydrostatische Kolbenmaschinen derart weiterzubilden, daß in der
gesamten Kolbenmaschine verhältnismäßig grobe Fertigungstoleranzen zugelassen werden
können und daß trotzdem ein sattes Anliegen des Kolbenschuhes an der Kolbenführungsfläche
gewährleistet ist, ohne daß es für diesen Zweck erforderlich wird, den Kolbenschuh
beweglich am Kolben anzulenken.
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Diese Aufgabe wird durch den im Anspruch 1 angegebenen Arbeitskolben
gelöst.
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Gemäß der Erfindung wird die gesamte (oder doch zumindest nahezu die
gesamte) Kolbenkraft huber eine nachgiebig im Kolbenschuh angeordnete Dichtscheibe
von dem Arbeitskolben auf die Kolbenführungsfläche betragen. Die Dichtscheibe könnte
daher auch "Kolbenscheibe" oder Gleitscheibe genannt werden.
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Die nachgiebige Anordnung der Dichtscheibe gewährleistet ein einwandfreis
sattes Anliegen derselben an der KolbenDhrungsfläche, und zwar auch bei etwa vorhandenen
Fertigungsungenauigkeiten (Beispiele siehe oben unter a bis d). Es werden somit
die
Leckflüssigkeitsverluste entscheidend verringert und gleichzeitig die Herstellungskosten
gesenkt, weil bei zahlreichen Einzelteilen der Kolbenmaschine gröbere Fertigungstoleranzen
zugelassen werden können. Die nachgiebige Anordnung der Dichtscheibe wird in erster
Linie dadurch erreicht, daß die Dichtscheibe ein vom Kolbenschuh separates Bauteil
bildet, das in der dafür vorgesehenen Ausnehmung in engen Grenzen beweglich angeordnet
ist. Dabei ist es zweckmäßig, den auf der Rückseite der Dichtscheibe vorgesehenen
Dichtring aus einem elastischen Material zu bilden (Anspruch 2).
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I)er im Zylinderraum herrschende Betriebsdruck pflanzt sich fort bis
in den auf der Rückseite der Dichtscheibe vorgesehenen Spalt. Dabei kann bei Bedarf
in der Verbindungsleitung zwischen dem Zylinderraum und dem Spalt eine Vordrossel
vorgesehen werden; dies ist aber kein dringendes Erfordernis. In dem Spalt erzeugt
der Betriebsdruck auf der durch den Dichtring begrenzten Fläche auf dem Kolben die
Kolbenentlastungskraft. Zweckmäßig wird man durch die im Anspruch 3 beschriebene
Maßnahme dafür sorgen, daß die Kolbenentlastungskraft geringfügig kleiner als die
Kolbenkraft ist. Eine gleich große Kraft übt der Betriebsdruck auf die RUckseite-der
Dichtscheibe aus. Dieser Kraft wirkt entgegen eine in der Entlastungstasche ebenfalls
durch den Betriebsdruck erzeugte Scheibenentlastungskraft , die w i wiederum ltleiner
als die Koibenentlastungskraf bemessen wird.
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Wie an sich schon bekannt, kann man auch bei dem erfindungsgemäßen
Arbeitskolben die Kolbenschuh-Gleitfläche unterteilen in eine ringförmige Dichtfläche
und in eine diese umgebende Stützfläche. Dabei versteht es sich, daß die Dichtfläche
auf der beweglichen Dichtscheibe liegt, die Stützfläche dagegen auf dem unbeweglich
bleibenden äußeren Bereich des Kolbenschuhs. ueber die Stützfläche können in Radialkolbenmaschinen
mit ebenen und polygonartig angeordneten Kolbenführungsflächen die für die Mitnahme
des Zylinderblockes erforderliche Umfangskraft und die etwa noch auftretenden Querkräfte
übertragen werden. Bei
der erfindungsgemäßen Bauweise wird angenommen,
daß das Ubertragen dieser Kräfte auch dann möglich ist, wenn die StUtzfläche nicht
vollkommen satt auf der Kolbenführungsfläche aufliegt.rTheoretisch könnte man zwar
zum Ausgleich etwaiger Fertigungsungenauigkeiten - wie an sich bekannt - den gesamten
Kolbenschuh schwenkbar am Kolben anlenken. Ein solches Gelenk würde aber viel Platz
benötigen; es wäre zudem teuer in der Herstellung und würde, da es ebenfalls hydrostatisch
entlastet werden müßte, zusätzliche Leckverluste verursachen. Solche Verluste können
gemäß der Erfindung mit Hilfe des auf der Rückseite der Dichtscheibe angeordneten
und vorzugsweise elastischen Dichtringes nahezu vollkommen vermieden werden.
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Es wurde oben schon erwähnt, daß es bei häufig wechselnder Drehzahl
zweckmäßig ist, mittels einer Vordrossel ein selbsttätiges Einregeln der Spaltweite
zwischen dem Kolbenschuh Xund der Kolbenführungsfläche zu erzielen. Diese Methode
kann ohne Schwierigkeiten auch bei dem erfindungsgemäßen Arbeitskolben angewandt
werden. In diesem Fall wird die Spaltweite zwischen der Dichtscheibe und der Kolbenführungsfläche
auf einen wenigstens angenähert konstanten Wert eingeregelt. Nun kann aber, gemäß
einem wichtigen weiterführenden Gedanken der Erfindung (Anspruch 5), erreicht werden,
daß als Vordrossel keine besondere Drosselbohrung oder ein entsprechendes Einbauteil
(etwa gemäß DE-OS 23 52 274) vorgesehen werden muß.
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Denn durch die hier vorgeschlagene Gestaltung des Arbeitskolbens kann
der auf der Rückseite der Dichtscheibe befindliche Spalt als Vordrossel benützt
werden.
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Die Anwendung des vorbeschriebenen Gedankens ist nicht nur in Radialkolbenmaschinen
mit polygonartig angeordneten Kolbenführungsflächen von Vorteil, sondern besonders
auch in Kolbenmaschinen mit ge)mkig am Kolben befestigten Kolbenschuhen. In solchen
Kolbenmaschinen ist es nämlich erforderlich, die Vordrossel in Strömungsrichtung
erst nach dem Gelenk anzuordnen, also innerhalb des beweglichen Kolbenschuhes zwischen
dem Gelenk
und der Entlastungstasche, d.h. in einem Bereich, wo
es außerordentlich schwierig ist, eine normale Drosselstelle unt er zubringen.
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Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung
beschrieben. Darin zeigt: Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen gemäß der Erfindung
ausgebildeten Arbeitskolben, nach Linie I-I der Fig. 2; Fig. 2 eine Ansicht in Richtung
des Pfeiles II der Fig. 1; Fig. 3 und 4 weitere gemäß der Erfindung ausgebildete
Arbeitskolben im Längsschnitt.
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Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte Arbeitskolben besteht im wesentlichen
aus dem eigentlichen Kolben 10, dem daran angeformten starren Kolbenschuh 11 und
aus einer in eine kreisrunde Ausnehmung des Kolbenschuhes eingesetzte Dichtscheibe
14.
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Dieser Arbeitskolben ist für eine Radialkolbenmaschine beispielsweise
nach DE-OS 24 30 119 bestimmt. Eine solche Maschine besitzt einen auf einem Steuerzapfen
drehbar gelagerten Zylinderblock 9, in dem mehrere am Umfang verteilte und sich
in radialer Richtung erstreckende Zylinderräume 8 angeordnet sind. Außerdem ist
ein Kolbenführungsring vorgesehen, der um eine gegenüber der Drehachse des Zylinderblockes
versetzte Achse drehbar ist und der polygonartig angeordnete, ebene Kolbenführungsrlächen
12 aufweist. Wie allgemein bekannt, gleitet der Arbeitskolben beim Betrieb einer
solchen Maschine auf der Kolbenführungsfläche 12 in Umfangsrichtung hin und her,
solange er sich im Zylinderraum auf- und abbewegt.
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Der Kolben 10 hat eine zentrische Bohrung 13, die zum Zylinderraum
8 hin offen ist. Von der Bohrung aus führt ein Verbindungskanal 15 durch den Kolbenschuh
11 und die Dichtscheibe 14 hindurch und mündet dort in eine Entlastungstasche 16.
Die zentrisM angeordnete kreisförmige Entlastungstasche 16 wird von
der
an der Kolbenführungsfläche 12 satt anliegenden Dichtfläche 18 der Dichtscheibe
14 begrenzt. Rund um die im Kolbenschuh 11 für die Dichtscheibe 14 vorgesehene Ausnehmung
ist im Kolbenschuh noch eine weitere Ausnehmung 19, jedoch von geringerer Tiefe
vorgesehen; diese ist über Entlastungskanäle 20 mit dem Niederdruckbereich der Kolbenmaschine
verbunden. Der um die Ausnehmung 19 verbleibende und mit 21 bezeichnete Teil der
Gleitfläche des Kolbenschuhs 11 ist die sogenannte Stützfläche.
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Auf der Rückseite der Dichtscheibe 14 ist zwischen die Dichtscheibe
und den Kolbenschuh 11 ein Dichtring 25 derart eingespannt, daß zwischen dem Kolbenschuh
11 und der Dichtscheibe 14 ein Spalt 24 verbleibt. FUr den Dichtring 25 ist auf
der RUckseite der Dichtscheibe 14 eine Ringnut 27 eingearbeitet.
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Beim Betrieb der Maschine wirkt der Betriebs druck auf die Unterseite
6 des Kolbens 10 und erzeugt die Kolbenkraft FK. Gleichzeitig wirkt der Betriebsdruck
im Spalt 24 auf die Fläche des Kolbenschuhs 11, die durch den äußeren Rand der den
Dichtring 25 aufnehmenden Ringnut 27 begrenzt ist; dort erzeugt der Betriebsdruck
die Kolbenentlastungskraft FEK. Der Dichtring 25 ist so bemessen, daß die Kolbenentlastungskraft
FEK geringfügig kleiner als die Kolbenkraft FK ist. Desgleichen wirkt auf die Dichtscheibe
eine Kraft, deren Größe der Kolbenentlastungskraft FEK entspricht. Dieser wirkt
entgegen eine durch die Druckkraft in der Entlastungstasche 16 und über der Dichtfläche
18 gebildete Gegenkraft FEG, die geringfügig kleiner ist als die Kraft FEK.
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Der in Fig. 3 dargestellte Arbeitskolben unterscheidet sich von dem
in den Figuren 1 und 2 im wesentlichen nur dadurch, daß die Dichtscheibe 34 die
Form eines Kugelabschnittes aufweist. Dementsprechend ist auch die für die Dicht
scheibe im Kolbenschuh vorgesehene Ausnehmung kugelförmig.
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Die Fig. 4 zeigt eine andere Abwandlung des oben anhand der Figuren
1 und 2 ausführlich beschriebenen Arbeitskolbens. Der wesentliche Unterschied besteht
darin, daß der Verbindungskanal 15 nur noch durch den Kolbenschuh 11 hindurch geführt
ist, nicht jedoch durch die Dichtscheibe 44. Statt dessen sind im Bereich des Dichtringes
25 Kanäle 45 vorgesehen, die den nach wie vor zwischen Dichtscheibe 44 und Kolbenschuh
11 befindlichen Spalt 24 mit der Entlastungstasche 16 verbinden. Auf die se Weise
gelangt die Arbeitsflüssigkeit auf dem Wege über den Kanal 15, den Spalt 24 und
die Kanäle 45 in die Entlastungstasche 16. Dadurch wirkt der Spalt 24 in der oben
beschriebenen Weise als Vordrossel. Ein Vorteil dieser Anordnung gegenüber herkömmlichen
Vordrosseln besteht darin, daß die Beweglichkeit der Dichtscheibe einen Selbstreinigungseffekt
für den die Vordrossel bildenden Spalt 24 erwarten läßt.