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Hydraulische Einrichtung mit doppelt wirkendem Differentialkolben
Die Erfindung betrifft eine hydraulische Einrichtung mit einem doppelt wirkenden
Differentialkolben, welche zur Förderung von Druckflüssigkeit in bestimmten Mengen
bzw. mit einem gegenüber dem Druck einer als Antriebsquelle dienenden Druckmittelquelle
erhöhten Druck dient.
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Es sind bereits hydraulische Einrichtungen mit Differentialkolben
bekannt, bei welchen der große Kolben in einem Motorzylinder und sich nach beiden
Seiten koaxial erstreckende kleine Kolben in an beiden Enden des Motorzylinders
angeordneten Pumpenzylindern hin- und herbeweglich angeordnet sind. Ferner ist eine
über ein Umsteuerventil mit beiden Zylinderräumen des Motorzylinders und über Einlaßventile
mit den mit Auslaßventilen versehenen Pumpenzylinderräumen verbundene Druckflüssigkeitsquelle
sowie ein mit dem Umsteuerventil zusammenwirkender Zeitgeber vorgesehen.
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Auf Grund der genauen Abdichtung des Motorzylinders der soeben erwähnten
bekannten Einrichtung treten bei der Umstellung des Umsteuerventils im hydraulischen
System starke Druckwellen auf, und außerdem liegt bei einer gegebenen Fördergeschwindigkeit
der Druckmittelquelle die Beschleunigung bzw. die Verzögerung des Motorkolbens sowohl
am jeweiligen Hubende als auch während des gesamten Hubes fest.
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Zur Vermeidung harter mechanischer Stöße ist es bei hydraulischen
Druckzylindern ferner bekannt, zusammen mit einem Antriebskolben bewegte Schieberorgane
vorzusehen, welche am Hubende Abströmkanäle für das Druckmittel progressiv abdecken,
so daß eine weiche Abbremsung des Antriebskolbens erzielt wird.
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Nachteilig ist bei der zuletzt erwähnten bekannten Anordnung, daß
auch hier während des wesentlichen Teiles des Kolbenhubes die Charakteristik der
Kolbenbewegung bei einer bestimmten Fördergeschwindigkeit der Druckmittelquelle
festliegt.
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Schließlich sind noch stoßdämpferartige hydraulische Einrichtungen
bekannt, welche zur Koppelung eines Antriebes mit einer Arbeitsmaschine dienen und
die Vermeidung starker mechanischer Laststöße bezwecken. Bei diesen bekannten Anordnungen
erfolgt bei Annäherung eines in einem Zylinder geführten Hydraulikkolbens an das
Hubende eine progressive Verlegung einer Drosselöffnung, welche entweder die Form
eines im Kolben vorgesehenen, mit einem konischen Zapfen des Zylindergehäuses zusammenwirkenden
Durchströmkanals oder eines Ringspaltes hat, welcher sich zwischen dem Kolben und
der sich nach dem Zylinderende zu konisch verjüngenden Zylinderwandung bildet. Die
beiden zuletzt kurz beschriebenen Einrichtungen ermöglichen jedoch nicht die Vermeidung
hydraulischer Druckwellen am Hubende des Motorkolbens eines hydraulischen Systems,
und außerdem ist die Bewegung des Hydraulikkolbens nicht etwa durch die Förderung
einer Druckmittelquelle, sondern durch die auf die Einrichtung wirkenden mechanischen
Kräfte bestimmt.
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Durch die Erfindung soll nun die Aufgabe gelöst werden, in einer hydraulischen
Einrichtung jede gewünschte Beschleunigung bzw. Verzögerung des Motorkolbens über
seinen gesamten Hub zu erzielen.
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Ausgehend von einer hydraulischen Einrichtung der eingangs kurz beschriebenen
bekannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Innenwand
des Motorzylinders zwei kegelstumpfförmige Flächen aufweist, die sich nach einem
Kleinstdurchrnesser an der Verbindungsstelle dieser Flächen zu den äußeren Enden
des Zylinders erweitern, so daß zwischen der Umfangsfläche des Motorkolbens und
den Flächen des Motorzylinders ein ringförmiger, veränderlicher Drosselspalt entsteht,
durch den ständig Druckflüssigkeit aus dem Motorzylinder zur Druckflüssigkeitsquelle
zurückgeführt wird.
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Erfindungsgemäß wird also ein durch die veränderliche Größe des Drosselspaltes
bestimmter Anteil des dem Motorzylinder zugeführten Druckmittels von dem Hauptstrom
abgeteilt und gelangt ohne Leistung von Nutzarbeit zur Druckmittelquelle zurück.
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Es ist zwar bei Einspritzpumpen für Brennkraftmaschinen bekannt, über
eine Drosselstelle einen
Leckbrennstoffstrom von der Förderseite
des Pumpenzylinders abzuzweigen, doch sind die Hydraulikkolben dieser bekannten
Pumpenanordnung nockengesteuert, und eine Beeinflussung der Charakteristik der Kolbenbewegung
längs des gesamten Hubes ist bei der bekannten Pumpe nicht möglich.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden Teil der Beschreibung
an Hand der Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen ist F i g. 1 eine teilweise
schematisch und teilweise im Längsschnitt gezeigte Ansicht einer vorzugsweisen Ausführungsform
der Erfindung, F i g. 2 ein Querschnitt nach Linie 2-2 in der F i g. 1, F i g. 3
ein Querschnitt nach Linie 3-3 in der Fig.1. F i g. 4 ein Diagramm einer typischen
Leistungskurve einer Zentrifugalpumpe, in Verbindung mit dem Erfindungsgegenstand,
und F i g. 5 ein Diagramm, in dem der Auslaßdruck der Zentrifugalpumpe mit Beziehung
zur Zeit dargestellt ist.
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Gleiche Bezugsziffern beziehen sich in allen Figuren auf gleiche Teile.-
Das in F i g. 1 gezeigte Druckflüssigkeitssystem besteht aus einem Behälter 10 od.
dgl., aus dem die zu fördernde Flüssigkeit entnommen wird und der über eine Leitung
11 an den Eimaß einer motorgetriebenen Zentrifugalpumpe 12 beliebiger Art angeschlossen
ist. Eine hierfür geeignete Pumpe 12 ist in der USA.-Patentschrift 2 741990 gezeigt.
Sie kann ein Leistungsdiagramm der in F i g. 4 dargestellten Art aufweisen, in welchem
eine typische Leistungskurve C aufgetragen ist, in der die Fördermenge für mehrere
zunehmende Mengen Q2, Q2 und Q1 in 1/min als Abszissen und der entsprechende Auslaßdruck
in kg/cm2 für zunehmende Drücke P1, P2 und P3 als Ordinaten dargestellt sind. Die
Leistungskurve C zeigt die Beziehungen zwischen den Auslaßdrücken und den Mengen
für verschiedene Werte.
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Die Auslaßseite der Pumpe 12 ist mit einer Leitung 15 versehen, von
der eine Zweigleitung 16 ausgeht.
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Eine sich hin- und herbewegende Vorrichtung ist vorgesehen, der die
Flüssigkeit von der Pumpe 12 zugeleitet wird und die vorzugsweise einen mittleren
Zylinder 20 mit dessen Enden verschließenden Köpfen 21 und 22 aufweist. Die innere
Wandung des Zylinders wird vorzugsweise durch zwei konisch verlaufende Flächen 23
und 24 gebildet, deren kleinster Durchmesser im Treffpunktbereich 25 derselben liegt,
wobei sich die Durchmesser zu den äußeren Enden hin vergrößern.
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Die Köpfe 21 und 22 sind mit ringförmigen Aussparungen 26 und 27 versehen,
mit denen Leitungen 28 und 29 über Kanäle 30 und 31 in Verbindung stehen.
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Ein scheibenförmiger Kolben 32 ist längsbeweglich im Zylinder 20 angeordnet
und auf gegenüberliegenden Tauchkolben 33 und 34 gelagert, die axial mit dem Kolben
fluchten und koaxial zum Zylinder 20 liegen. Der Umfang 35 des Kolbens 32 weist
einen Abstand zu den Innenflächen 23 und 24 des Zylinders 20 auf, so daß um denselben
ein Spalt gebildet wird, dessen Querschnittsfläche, wenn sich der Kolben 32 im Bereich
25 befindet, am kleinsten ist, wenn der Kolben sich an den äußeren Enden der Flächen
23 und 24 befindet, am größten ist. Die Tauchkolben 33 und 34 erstrecken sich durch
die Köpfe 21 und 22 und durch in diesen zur Verhütung von Leckage angebrachten Stopfbuchsen
36 und 37 nach außen.
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Die Köpfe 21 und 22 weisen koaxial zum Zylinder 20 angeordnete, mit
diesem flüssigkeitsdicht verbundene zusätzliche Zylinder 38 und 39 auf. Die Zylinder
38 und 39 sind an ihren äußeren Enden flüssigkeitsdicht mit Zylinderköpfen 40 und
41 verbunden. Die Zylinderköpfe 40 und 41 sind vorzugsweise mit Bohrungen 42 und
43 versehen, in denen Kugelrückschlagventile 44 und 45 vorgesehen sind, die sich
in noch zu beschreibender Weise auf die inneren Enden der Bohrungen 42 und 43 setzen.
Leitungen 46 und 47 verbinden die Bohrungen 42 und 43.
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Die Köpfe 20 und 21. sind vorzugsweise je mit Bohrungen 48 und 49
versehen, die mit dem Inneren der Zylinder 38 und 39 über Kanäle 50 und 51 in Verbindung
stehen. Ventilsitz-Schraubeinsätze 52 und 53 in den Köpfen 21 und 22 mit Bohrungen
54 und 55 bilden Sitze für die Kugelrückschlagventile 56 und 57 in den Bohrungen
48 und 49. An die Bohrungen 54 und 55 ist die Leitung 15 angeschlossen.
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Ein Steuerventil V ist vorgesehen, das vorzugsweise einen Ventilkörper
60 aufweist, in dem ein Drehschieber 61 drehbar gelagert ist. Der Drehschieber 61
ist mit Kanälen 62 und 63 versehen. Der Ventilkörper 60 weist vier Öffnungen auf,
eine Öffnung 64, an die die Leitung 16 angeschlossen ist, eine Öffnung 65, an die
die Leitung 28 zum Kanal 30 angeschlossen ist, eine Öffnung 66, an die die als Rücklauf
zum Behälter 10 dienende Leitung 67 angeschlossen ist, und eine Öffnung 68, an die
die Leitung 29 zum Kanal 31 angeschlossen ist.
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Der Drehschieber 61 kann zur Steuerung des Flüssigkeitsflusses aus
der Stellung, in der die Kanäle 62 und 63 in vollen Linien gezeigt sind, in die
in gestrichelten Linien dargestellte Stellung bewegt werden. In einer Stellung verbindet
der Kanal 62 die öffnungen 64 und 65, wobei der Kanal 63 die öffnungen 68 und 66
verbindet, während in der anderen Stellung der Kanal 62 die Öffnungen 68 und 66
und der Kanal 63 die Öffnungen 65 und 66 verbindet.
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Um den Drehschieber 61 zu betätigen und in Stellung zu bringen, ist
ein Hub- und Schubsolenoid 75 vorgesehen, das mit Wicklungen 76 und 77 versehen
ist. Eine dieser Wicklungen betätigt beim Erregen eine Armatur 78 in einer Richtung,
während die andere die Armatur entgegengesetzt betätigt.
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Die Armatur 78 ist über ein Verbindungsglied 79 mit einem Hebel 80
verbunden. Der Hebel 80 ist mit dem Drehschieber 61 so verbunden, daß er diesen
in eine der beiden verschiedenen, obenerwähnten Steuerstellungen bewegen kann.
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Ein elektrisch betätigter, einstellbarer Zeitregler T ist vorgesehen,
um fortlaufend die Zeitdauer der Erregung der Wicklungen 76 und 77 zu bestimmen
und so bei Erregung der einen Wicklung den Drehschieber 61 während einer gewählten
Zeitdauer in einer vorbestimmten Stellung zu halten und bei Erregung der anderen
Wicklung den Drehschieber 61 in seine andere gewählte Stellung für eine gewünschte
Zeitdauer zu bewegen, die gleich oder aber auch verschieden von der der ersten Wicklung
sein kann. Der Zeitgeber T kann mit Zuleitungen 80X versehen sein, die an irgendeine
geeignete Stromquelle angegeschlossen sind.
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Die Wirkungsweise soll nunmehrbeschrieben werden.
Beim
Anlassen der Zentrifugalpumpe 12 wird Flüssigkeit vom Behälter 10 über die Leitung
11 in die Leitung 15 gepumpt. Die zeitlich gesteuerte Stellung des Ventils
V und seines Drehschiebers 61 wird durch die Erregung der Wicklungen 76 und
77 durch den Zeitregler T bestimmt. Angenommen, der Drehschieber 61 nimmt die in
vollen Linien gezeigte Stellung ein, dann fließt ein Teil der Flüssigkeit aus der
Leitung 15 über die Leitung 16, Öffnung 64, Kanal 62, Öffnung 65, Leitung 28 und
Kanal 30 und wirkt auf den Kolben 32, so daß dieser, in F i g. 1 gesehen, nach rechts
bewegt wird, gleichzeitig wird ein Teil der Flüssigkeit über die Leitung 15, Rückschlagventil
56 und Kanal 33 dem Zylinder 38 zugeführt, wobei sich das Rückschlagventil 56 öffnet.
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Wenn sich der Kolben 32 nach rechts bewegt, wird die Flüssigkeit im
Zylinder 39 durch die Bewegung des Tauchkolbens 34 durch das Rückschlagventil 45
in die Leitung 47 zur weiteren Verwendung gedrückt.
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Die Druckverhältnissee zwischen den gelieferten Drücken und den von
der Zentrifugalpumpe 12 gelieferten Mengen sind in F i g. 4 als Kurve C dargestellt.
Aus F i g. 4 ist ersichtlich, daß sich beim Zunehmen des Druckes von P1 zu P3 die
Fördermenge von Q1 zu Q3 vermindert.
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Die Druckverhältnisse bezüglich der entsprechenden Einlaßzeiten des
Zylinders 20 sind in F i g. 5 gezeigt. Der vertikale Abstand von D nach E
stellt die Zeit eines Hubes dar, von E nach F die Umkehrperiode zwischen dem Ende
eines Hubes und dem Beginn des nächsten Hubes, bei dem das Ventil V umgekehrt wird,
von F nach G den Rückhub und von G nach D die Umkehrperiode zwischen dem Ende des
Rückhubes und dem Beginn des nächsten Vorwärtshubes, bei dem das Ventil V wieder
in seine ursprüngliche Stellung gebracht ist.
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Aus F i g. 5 ist ersichtlich, daß beim Fortschreiten des bei D angezeigten
Hubes der Auslaßdruck der Zentrifugalpumpe 12 P., beträgt, wobei sich der Kolbenaufbau,
bestehend aus Kolben 32 und Tauchkolben 33 und 34 nach rechts in F i g. 1 bewegt.
Der Druckunterschied an der Kante des Kolbens 32 minus dem Produkt des Saugdrucks
und der wirksamen Fläche des Kolbens 32 rufen eine in F i g. 1 nach rechts wirkende
Kraft hervor, die genügend groß ist, um die Reibung der Packungen 36 und 37 und
die Kraft zu überwinden, die gleich der Fläche des Tauchkolbens 34 mal dem Druck
in der Kammer des Zylinders 39 ist.
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Es ist ersichtlich, daß zwischen dem Umfang des Kolbens 32 und der
inneren Wand des Zylinders 20
der Spalt O besteht und daß dieser Spalt O beim
Bewegen des Kolbens 32 zur Mitte des Hubes hin kleiner wird und dann bis zum Ende
des Hubes in jeder Richtung größer wird. Die Fläche dieses Spaltes O bestimmt, in
welcher Weise die von der Pumpe 12 geförderte Flüssigkeit zwischen der zur Betätigung
des Kolbens 32 verwendeten und der zum Behälter 10 zurückgeführten Flüssigkeit aufgeteilt
wird. Durch Veränderung des Spaltes zwischen dem Kolben 32 und der Wand des Zylinders
20 über den vollen Weg des Kolbens 32 können irgendwelche gewünschten Beschleunigungs-Verzögerungs-Eigenschaften
des Kolbens erzielt werden.
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Wenn der Kolben am rechten Ende des Hubes (F i g. 1) zum Stillstand
kommt, nimmt der Druck von P2 zu P3 (s. F i g. 5) zwischenden Linien E und F zu,
da die ganze, durch die Pumpe 12 geförderte Flüssigkeit den Ringspalt O passieren
muß, bis das Ventil V wieder betätigt worden ist. Wie aus F i g. 4 ersichtlich,
nimmt die Fördermenge, während der Druck von P., auf P3 steigt, ab, jedoch nicht
bis zu dem Punkt, -daß die Zentrifugalpumpe abgestellt wird.
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Wenn das Ventil V die Stellung einnimmt, in der der Kanal 62 die Öffnungen
64 und 68 und der Kanal 63 die Öffnungen 65 und 66 verbindet, fällt der Druck von
P3 auf P1 ab (wie zwischen den Linien E und F in F i g. 5 gezeigt), und da der Druck
auf den Kolben 32 zur Betätigung in entgegengesetzter Richtung wirkt, steigt der
Wert des Drucks von P1 auf P., wie bei F gezeigt, an. Während des RückwärtshÜbes
verbleibt der Druck bei P._, bis zum Ende des Hubes, wie bei G gezeigt. Der Druck
ändert sich zwischen G und D, wie zuvor bezüglich des Intervalls E-F beschrieben.
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Die zuvor beschriebenen Vorgänge wiederholen sich so lange, wie das
Ventil V betätigt wird.
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Beim Hin- und Herbewegen der Tauchkolben 33 und 34 in den Zylindern
38 und 39 werden bestimmte Flüssigkeitsmengen gefördert, so daß abgemessene Flüssigkeitsmengen
von denselben abgegeben werden können oder aber der Druck der von ihnen abgegebenen
Flüssigkeitsmengen auf ein Mehrfaches des von der Zentrifugalpumpe erzeugten Druckes
gesteigert werden kann. Die Umkehrung des. Ventils V wird vorgenommen, wenn die
Förderung von der Zentrifugalpumpe ein Minimum beträgt, so daß der Stoß im hydraulischen
System so gering wie möglich ist.
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Es ist ferner ersichtlich, daß die Saugseite an den Einlaßventilen
56 und 57 mit Druckflüssigkeit von der Pumpe 12 versorgt wird, so daß ein zu starkes
Absinken des Pumpensaugdruckes vermieden wird.
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Das zur Herstellung der Teile verwendete Material kann ohne weiteres
so gewählt werden, daß Erosion oder Korrosion vermieden wird. Auslecken von Flüssigkeit,
wie z. B. giftige oder radioaktive Flüssigkeiten, kann bei dem neuen Flüssigkeitsfördersystem
ebenfalls leicht vermieden werden.