DE2500779B2 - Kolbenschuh fuer eine hydrostatische radialkolbenpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolbenschuh für eine hydrostatische Radialkolbenmaschine mit einer H-förmigen Führungsfläche, welche an einem durch eine Nut in zwei Führungsflächenteile geteilten Kolbenführungsring anliegt und welche zwei voneinander getrennte und mit dem zugehörigen Zylinder verbundene hydrostatische Lagertaschen aufweist.

Ein solcher Kolbenschuh ist durch die DT-PS !3 02 469 bekannt. Die dort vorgesehenen hydrostatischen Lagertaschen erstrecken sich in Richtung des Η-Steges der Führungsfläche, also parallel zur Rotorachse, und aus den seitlichen Führungsteilen in den Η-Steg der Führungsfläche hinein. Ein solcher Kolbenschuh trägt zur Verminderung der Reibung zwischen Kolbenschuh und Kolbenführungsring wesentlich bei und ermöglicht eine Erhöhung des in hydrostatischen Radialkolbenmaschinen erreichbaren Druckes. Besonders hohe Drücke und hohe Drehzahlen konnten jedoch mit diesen Kolbenschuhen bisher nicht erreicht werden. Wurde ein bestimmter hoher Druckbereich, insbesondere bei hohen Drehzahlen, überschritten, vergrößerte sich die Leckage und die Reibung unverhältnismäßig stark, und zwar um so stärker, je höher der Druck in der Maschine anstieg. Entsprechend sank der Wirkungsgrad der Maschine ab. Die Ursachen für diese Erscheinung waren nur schwer festzustellen und wurden lange Zeit nicht erkannt.

Die Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, daß der vorbeschriebene Mangel nicht, wie ursprünglich angenommen, in der Maschine als solcher liegt, sondern in einem relativ kleinen Fehler in der bisherigen Ausbildung der hydrostatischen Lagerung des Kolbenschuhes.

In dem engen Dichtspalt zwischen der Führungsfläche des Kolbenschuhes und der mit dieser zusammenarbeitenden Führungsfläche des Kolbenführungsringes bilden sich »unsichere Zonen« aus, in der der Druck rechnerisch nicht erfaßbar ist bzw. der sich unkontrollierbar verändert oder verändern kann. Im allgemeinen nimmt bekannterweise, wenn von einem Ende her in einen Spalt Druckfluid größeren Druckes eintritt und am anderen Ende des Spaltes ein niederer Druck herrscht, der Druck im Spalt von der Seite höheren Druckes zur Seite niederen Druckes hin etwa linear oder in Form einer schwach gekrümmten Kurve ab. Deshalb kann man den Druck in einem solchen Spalt etwa als arithmetisches Mittel der Drücke zwischen den beiden Enden des Spaltes oder etwas darunter annehmen. Erstreckt sich der Spalt jedoch über eine größere Fläche, kann sich der Druck des Druckfluids

ίο nicht mehr über die ganze Ausdehnung des Passungsspaltes auswirken. Vielmehr tritt Druckfluid nur über einen Teil der Erstreckung in den Spalt ein; in welcher Tiefe und nach welchem Gesetz der Druck abnimmt, ist schwer festzustellen. Im Mittel beträgt die Eintrittstiefe wenige Millimeter, z. B. 3 bis 5 mm, wobei diese Tiefe um so geringer ist, je genauer die aufeinanderliegenden Flächen bearbeitet sind. Infolge der dabei entstehenden »unsicheren Zone« hat eier eine Kolbenschuh weniger, der andere mehr Reibung und Leckage, auch wenn die Kolbenschuhe in gleicher Weise hergestellt sind. Relativgeschwindigkeiten zwischen Kolbenschuh und Kolbenführungsring, Genauigkeit und Feinheit der Oberfläche sowie das verwendete Material spielen dabei ebenfalls eine unkontrollierbare und unberechenbare Rolle mit. Insbesondere besteht die Gefahr, daß bei niedrigen Relativgeschwindigkeiten die aufeinander gleitenden Flächen infolge unzureichender Schmierung zum Pressen neigen und bei hohen Relativgeschwindigkeiten infolge Ausbildung hydrodynamischer Tragfelder sich voneinander unzulässig abheben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolbenschuh der eingangs gekennzeichneten Art — entsprechend dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1 — so auszubilden, daß die Begrenzungsflächen der hydrostatischen Lagertaschen bei hohen Relativgeschwindigkeiten zwischen Kolbenschuh und Kolbenführungsring nicht die Eigenschaft von Undefinierten hydrodynamischen Tragfeldern annehmen und bei niedrigen Relativgeschwindigkeiten zwischen Kolbenschuh und Kolbenführungsring nicht ungeschmiert bleiben.

Die Erfindung besteht demgemäß nach dem Kennzeichen des Patentanspruches 1 darin, daß sich die hydrostatischen Lagertaschen in den außerhalb des Verbindungssteges liegenden seitlichen Führungsteilen der H-förmigen Führungsfläche befinden und in Umlaufrichtung länglich ausgebildet sind, und daß in den in Umlaufrichtung verbleibenden, nicht von der hydrostatischen Lagertasche eingenommenen Flächen auf den seitlichen Führungsteilen quer zur Umlaufrichtung verlaufende, durchgehende Abflußnuten angeordnet iind.

Durch die Erfindung wird erreicht, daß in den Führungsteilen des Kolbenschuhes keine zu ausgedehnten Abdicht- oder Begrenzungsflächen der hydrostatischen Lagertaschen entstehen. Die Abdichtflächen werden so verkürzt, daß selbst bei dichtestem Aneinanderliegen derselben noch Druckfluid im Passungsspalt verbleibt und sich daher die Abdichtzone aus einer unsicheren, nicht berechenbare in eine berechenbare und technisch beherrschbare »sichere Zone« verwandelt. Durch die in Umlaufrichtung längliche Ausbildung der Lagertaschen läßt sich die angestrebte Wirkung besonders zuverlässig erreichen, indem ein

h¹) großes Verhältnis »sichere Zone« zu »unsichere Zone« verwirklicht wird und eine stabilere und betriebssichere Führung des Kolbenschuhes erzielbar ist. Reibung und Leckage lassen sich auf ein Minimum verringern,

während der Wirkungsgrad der Maschine und deren Leistung entsprechend erhöht wird. Insbesondere ist auch die Erfindung für Hochleistungsmaschinen mit kleinem Gewicht von Bedeutung. So können beispielsweise ohne Gefahr einer Überhitzung Maschinen mit 300 bis 350 bar und 5000 U-min bei nur 11 kg Gewicht und 40 bis 150 kW betrieben werden.

Die Erfindung sei anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele noch näher erläutert. Im einzelnen zeigt

Fig.) einen Längsschnitt durch eine Radialkolbenmaschine mit eingebautem Kolbenschuh,

Fig.2 einen Querschnitt durch Fig. 1 entlang der Schnittlinie III!,

Fig.3 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbenschuhes entsprechend F i g. 1 und 2,

Fig.4 einen Querschnitt durch Fig.3 entlang der Schnittlinie IV-IV,

Fig.5 einen Querschnitt durch Fig.3 entlang der Schnittlinie V-V,

Fig.6 eine Draufsicht auf den Kolbenschuh nach Fig. 3,

Fig.7 einen Längsschnitt durch einen Kolbenführungsring mit einem in denselben eingesetzten Kolbenschuh,

Fig.8 einen Längsschnitt durch einen an sich bekannten Rotorteil, der zur Aufnahme eines Kolbens und eines Kolbenschuhes ausgebildet ist, und

F i g. 9 einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform eines Kolbenführungsringes.

In dem Ausführungsbeispiel einer Radialkolbenmaschine nach Fig. 1 und 2 mit den von Fluid durchströmten» durch die Zylinder 38 gebildeten Arbeitskammern ist der Rotor 9 mittels Lager 18 im Gehäuse 14 umlauffähig gelagert. In den Zylindern 38 laufen in bekannter Weise die Kolben 8 radial auswärts und einwärts, wobei sie über Anschlüsse 16, 17, Steuermündungen 89, 90 und Rotorkanäle 87, gegebenenfalls über eine Steuerplatte 88 und einen Steuerkörper 15, Fluid in sich aufnehmen und wieder nach außen abgeben. Die Kolben 8 sind, wie ebenfalls bekannt, mit Kolbenschuhbetten versehen, in denen Schwenkgelenkteile 22 der Kolbenschuhe 7 schwenkbar gelagert oder schwenkbar mit den Kolben verbunden sind. Die Kolbenschwenkgelenke verjüngen sich radial auswärts zu schmaleren Kolbenschuhhälsen 25 (Fig.4), die je in einen Kolbenschuh-Zentralteil 21 übergehen, welcher seinerseits paralleä zur Achse des Rotors 9 verläuft und schmaler als der Rotorschlitz 91, in den er beim Rotorumlauf eintritt, ausgebildet ist. An seinen Enden trägt der im Grundriß H-förmige Kolbenschuh die Führungsteile 6, die sich senkrecht zur Rotorachse und senkrecht zum Kolbenschuh-Zentralteil 21 erstrecken, also parallel zur Führungsfläche 10 des Kolbenführungsringes 12 verlaufen, an der sie anliegen und von der sie zur Ausführung des Kolbenhubes geführt sind.

Zwischen seinen Führungsteilen 6 ist der Kolbenschuh 7 entsprechend seiner H-förmigen Ausbildung durch schlitzartige Ausnehmungen 63 unterteilt, in die t>o die Rotorstege 13 zwischen den Rotorquerschlitzen 91 beim Umlauf des Rotors 9 eintreten. Der Kolbenführungsring 12, der stationär oder umlaufend gelagert sein kann, kann innen eine ununterbrochene Führungsfläche 34 eines Führungsteiles 35 (F i g. 9) oder zwei Führungs- t>-> flächen 33 (Fig. 1, 2, 7) aufweisen, die durch eine in den Kolbenführungsring 12 hineinragende Ringnut 19 voneinander getrennt sind. Zwecks Erzielung eines maximal langen Kolbenhubes ist es hierbei unerläßlich, daß der Kolbenschuh 7 mit schlitzförmigen Ausnehmungen 63 versehen ist, damit der Kolbenschuh auch mit seinen radial äußersten Teilen an den Rotorstegen J3 vorbei in den Rotorquerschlitz 91 eintreten kann. Der Führung der Kolben 8 dienen ferner zur Ermöglichung eines langen Kolbenhubes die an den Rotorstegen 13 angeordneten, die Rotorquerschlitze 91 begrenzenden Kolbenführungen 92 (F ig. 1,2,8).

Wie insbesondere aus F i g. 6 ersichtlich, werden die hydrostatischen Lager des Kolbenschuhes 7 im wesentlichen durch zwei Lagertaschen 2 gebildet, welche sich in Längsrichtung der Kolbenschuh-Führungsteile 6, also in Umfangsrichtung des Rotors, erstrecken und durch Kanäle 24 mit dem zugeordneten, als Arbeitskammer dienenden Zylinder 38 verbunden sind. Die hydrostatischen Lagertaschen sind hierbei derart angeordnet, daß ihre auf die Längsausdehnung der Taschen bezogenen Mittellinien je von der axial inneren Begrenzungskante des Führungsteiles 6 einen Abstand 31 hat, der geringer als ihr Abstand 30 von der Außenkante des Führungsteiles 6 ist. Bei einer Breite 28 der Lagertasche 2 ist demgemäß auch der Abstand 27 derselben von der Innenkante des Führungsteiles kleiner als der Abstand 29 der Lagertasche von der Außenkante des Führungsteiles. Durch diese ungleiche Bemessung der Abstände 31 und 30 bzw. 27 und 29 wird erreicht, daß auch bei Verformung des Kolbenschuhes unter den Drücken des Druckfluids ein gleiches Eindringen desselben in die Dichtspalte gewährleistet werden kann.

Um des weiteren die Flächenelemente der Führungsflächen in den Führungsteilen 6 des Kolbenschuhes klein zu halten und Spalterweiterungen, insbesondere durch die Ausbildung hydrodynamischer Tragfelder, zu verhindern, sind in Umlaufrichtung des Kolbenschuhes außerhalb eines jeden Endes der Lagertaschen 2 eine oder mehrere quer zur Umlaufrichtung verlaufende durchgehende Abflußnuten 1 bzw. 3 vorgesehen. Es entstehen dadurch außerhalb der Längserstreckung 97 der Lagertaschen 2 in Umlaufrichtung nur kurze Führungsflächen 4 bzw. 5, was ein sicheres Anliegen dieser Lagerflächen an den Führungsflächen 33 bzw. 34 des Kolbenführungsringes 12 gewährleistet. Die Gefahr der Bildung von hydrodynamischen Tragfeldern, insbesondere an den Spitzen der Führungsteile 6, wird dadurch praktisch ausgeschaltet. Hierzu kann ferner auch beitragen, daß die Führungsflächenteile 4 bzw. 5 schmaler als die Führungsteile 6 bemessen werden. Vorteilhaft ist ferner eine solche Ausbildung der Lagertaschen 2, daß sie nur eine Länge 96 von parallelen Kanten begrenzt werden und sich an diese Kanten bis zu einer Gesamtlängserstreckung 97 der Lagertasche halbkreisförmige Begrenzungskanten mit dem Radius der halben Abmessung der Breite 28 der Lagertasche anschließen. Eine solche Ausführung der Lagertaschen ist besonders leicht herstellbar. Doch ist es auch möglich, einfache rechteckige oder andere Querschnittsformen für die Lagertaschen der hydrostatischen Lager vorzusehen.

Nimmt man an, daß, wie Untersuchungen gezeigt haben, das Druckfluid je nach Druck und Geschwindigkeit etwa 1 bis 5 mm tief in den Spalt zwischen den aneinander anliegenden Führungsflächen des Kolbenschuhes 7 und des Kolbenführungsringes 12 eindringt, wird vorzugsweise die Breite der stegartigen Führungsflächenelemente 4 und 5 etwa mit 1 bis 6 mm bemessen. Die Abmessung der Dichtflächendicke ist am zweckmäßigsten 1 bis 8 mm, doch genügen meist 1 bis 4 mm. In

besonders kompakten Aggregaten kann sie auch 1 mm unterschreiten. Bei Flächen von mehr als 4 mm Ausdehnung (Dichtflächendicke oder Stegdicke) besteht bereits die Gefahr des Heißlaufens, da unter Umständen die erwähnte Eintrittsströmung nicht mehr tief genug in den Dichtspalt eindringt. Diese Gefahr ist um so größer, je höher die Relativgeschwindigkeit zwischen den eng aufeinandergleitenden Führungsflächen ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Kolbenschuh für eine hydrostatische Radialkolbenmaschine mit einer H-förmigen Führungsfläche, welche an einem durch eine Nut in zwei Führungsflächenteile geteilten Kolbenführungsring anliegt und welche zwei voneinander getrennt und mit dem zugehörigen Zylinder verbundene hydrostatische Lagertaschen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß sich die hydrostatischen Lagertaschen (2) in den außerhalb des Verbindungssteges (21) liegenden seitlichen Führungsteilen (6) der H-förmigen Führungsfläche (20) befinden und in Umlauf richtung länglich ausgebildet sind, und daß in den in Umlaufrichtung verbleibenden, nicht von der hydrostatischen Lagertasche eingenommenen Flächen auf den seitlichen Führungsteilen (6) quer zur Um!aufrichtung verlaufende, durchgehende Abflußnuten angeordnet sind.

2. Kolbenschuh nach Anspruch !, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem der beiden Endteile der beiden seitlichen Führungsteile (6) zwei Abflußnuten (1,3) angeordnet sind.