Hydraulischer Drehzylinder

Abstract

 Ein hydraulischer Drehzylinder, der zur Erzeugung eines konstanten, pulsationsfreien Drehmoments über einen nicht begrenzten Drehwinkel dient, insbesondere zum Einsatz an Prüfmaschinen, weist einen in einem Gehäuse (1) abgedichtet drehbar gelagerten Drehkolben (2) auf. Kolbenflügel (7, 8) sind radial aus dem Drehkolben (2) ausfahrbar und zurückziehbar und ragen in Ringkammern (3) des Gehäuses (1), wo sie mit hydraulischem Druck (D) beaufschlagt werden. Durch eine Flügelsteuerung werden die Kolbenflügel (7, 8) zurückgezogen, um Trennstege (4) zwischen den Ringkammern (3) bei der Drehung zu überwinden. Eine Volumenausgleichseinrichtung gleicht die beim Hub der Kolbenflügel (7, 8) eintretende Volumenänderung der Ringkammern (3) aus.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Drehzylinder mit einem in einem abgedichteten Gehäuse drehbar gelagerten Drehkolben, mit zwei in Umfangsrichtung durch zwei Trennstege des Gehäuses dichtend voneinander getrennten, mit einer hydraulischen Druckquelle und einem hydraulischen Rücklauf verbindbaren Ringkammern, wobei in jede Ringkammer mindestens ein sich radial aus dem Drehkolben erstreckender Kolbenflügel ragt.

[0002] Hydraulische Drehzylinder dienen zur Erzeugung von Drehmomenten über vorgegebene Drehwinkel. Insbesondere an Prüfmaschinen dienen die Drehzylinder dazu, Werkstoffproben, Bauteile oder andere Prüfobjekte mit regelbaren statischen oder dynamischen, meist oszillierenden Drehmomenten bzw. Drehschwingungen zu beaufschlagen.

[0003] Bei bekannten hydraulischen Drehzylindern dieser Gattung (Firmendruckschrift "Hydropuls-Spezifikation 1 PD 8603" der Carl Schenck AG) sind die aus dem Drehkolben radial herausragenden Kolbenflügel starr mit dem Drehkolben verbunden. Da auch die Trennstege starr mit dem Gehäuse verbunden sind, ist der erzielbare Drehwinkel begrenzt. Die bekannten Drehzylinder können daher nicht für solche Anwendungsfälle eingesetzt werden, bei denen eine Drehmomentbelastung über einen beliebig großen Drehwinkel, insbesondere über 180° oder 360° gefordert wird.

[0004] Hydrostatische Motoren, beispielsweise Flügelzellenmotoren, erzeugen zwar ein Drehmoment über einen beliebig großen Drehwinkel. Wegen der dabei erforderlichen Bewegung der nur in begrenzter Anzahl vorhandenen Verdrängungskörper ist jedoch eine Pulsation des erzeugten Drehmoments unvermeidbar. Eine solche Pulsation, d.h. eine Überlagerung des gewünschten Drehmomentverlaufs mit einer oszillierenden Drehmomentkomponente, würde jedoch beim Einsatz auf Prüfmaschinen in vielen Fällen das Prüfergebnis verfälschen.

[0005] Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen hydraulischen Drehzylinder der eingangs genannten Gattung so auszubilden, daß ein pulsationsfreies, vorzugsweise konstantes Drehmoment über einen beliebig großen Drehwinkel erzeugt werden kann.

[0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß für jede Ringkammer zwei Kolbenflügel vorgesehen sind, daß die Kolbenflügel durch eine drehwinkelabhängige Flügelsteuerung zur Überwindung der Trennstege um das Maß der radialen Tiefe der Ringkammern radial zurückziehbar und ausfahrbar sind, und daß die beiden Ringkammern jeweils mit einer synchron mit der Flügelsteuerung arbeitenden Volumenausgleichseinrichtung hydraulisch verbunden sind, die die beim Hub der Kolbenflügel eintretende Volumenänderung der Ringkammern ausgleicht.

[0007] Durch die in Abhängigkeit vom Drehwinkel gesteuerte Rückzugbewegung der Kolbenflügel wird es ermöglicht, daß die Kolbenflügel die zwischen den Ringkammern nach innen vorspringenden Trennstege überwinden, d.h. jeder Kolbenflügel wird bei Annäherung an einen Trennsteg aus der einen Ringkammer zurückgezogen und nach dem Passieren des Trennstegs wieder in die andere Ringkammer vorgeschoben. Dadurch ist eine beliebig lange Drehbewegung des Drehkolbens in jeder Drehrichtung möglich.

[0008] Die konstante, ununterbrochene Erzeugung des Drehmoments wird dadurch sichergestellt, daß jeweils der zweite Kolbenflügel dichtend in die Ringkammer ragt, wenn der erste Kolbenflügel in der beschriebenen Weise zur Überwindung des Trennstegs zurückgezogen wird. Um zu verhindern, daß die Hubbewegung des Kolbenflügels über die dadurch erzeugte Volumenänderung der jeweiligen Ringkammer eine Pulsation des wirksamen hydraulischen Drucks und damit des erzeugten Drehmoments verursacht, wird diese Volumenänderung durch eine synchron mit der Steuerung der Kolbenflügel arbeitende Volumenausgleichseinrichtung ausgeglichen. Auf diese Weise wird ein konstanter, pulsationsfreier Drehmomentenverlauf über beliebig große Drehwinkel erreicht.

[0009] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß jeder Kolbenflügel in einem Radialzylinder des Drehkolbens dichtend aufgenommen ist und mindestens eine mit einem hydraulischen Steuerdruck beaufschlagbare Kolbenstirnfläche aufweist, und daß in die Radialzylinder mündende Druckleitungen über einen mit dem Drehkolben verbundenen Drehschieber drehwinkelabhängig mit dem Steuerdruck hydraulisch beaufschlagbar sind.

[0010] Damit läßt sich in konstruktiv besonders einfacher Weise eine hydraulische Steuerung der radialen Hubbewegung der Kolbenflügel erreichen, wobei mindestens der nach außen gerichtete Bewegungshub der Kolbenflügel durch die Beaufschlagung seiner inneren Kolbenstirnfläche mit dem Steuerdruck erfolgt. Die radial nach innen gerichtete Rückzugbewegung der Kolbenflügel kann durch Absenkung des Steuerdrucks erfolgen, wenn der in der Ringkammer herrschende Druck ausreichend hoch ist, um den Kolbenflügel auch gegen eine etwaige Fliehkraft nach innen zu bewegen.

[0011] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgedankens kann aber auch vorgesehen sein, daß jeder Kolbenflügel an seinem in den jeweils zugeordneten Radialzylinder ragenden Ende als doppeltwirkender Steuerkolben ausgeführt ist, der durch den Drehschieber wechselweise mit dem Steuerdruck hydraulisch beaufschlagbar ist. Dabei wird sowohl der Ausfahrhub als auch der Rückzughub durch Beaufschlagung des Steuerkolbens des Kolbenflügels bewirkt.

[0012] Gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, daß jedem Kolbenflügel in der Volumenausgleichseinrichtung ein Volumenausgleichskolben zugeordnet ist, der in einem mit der Ringkammer hydraulisch verbundenen Volumenausgleichszylinder synchron zur Bewegung des zugeordneten Kolbenflügels verschiebbar ist. Durch die Bewegung des Volumenausgleichskolbens, die in Abhängigkeit vom Drehwinkel zwangläufig gesteuert wird, erfolgt der Volumenausgleich in der Ringkammer genau zum vorgegebenen Zeitpunkt und mit dem vorgegebenen Volumen, das aus dem Produkt der Kolbenfläche und dem Kolbenhub des Volumenausgleichskolbens exakt vorgegeben ist und dem Verdrängungsvolumen des zugeordneten Kolbenflügels entspricht, das sich ebenfalls aus der Kolbenfläche und dem Kolbenhub dieses Kolbenflügels ergibt.

[0013] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.

[0014] Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen hydraulischen Drehzylinder,

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen mit dem Drehkolben des Drehzylinders nach Fig. 1 verbundenen Drehschieber,

Fig. 3 einen weiteren Querschnitt durch den Drehschieber des Drehzylinders nach Fig. 1,

Fig. 4 einen schematischen Teilschnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 1,

Fig. 5 einen schematischen Teilschnitt längs der Linie V-V in Fig.. 1,

Fig. 6 einen Querschnitt ähnlich der Fig. 1 bei einer abgewandelten Ausführungsform eines Drehzylinders und

Fig. 7 einen Querschnitt entsprechend der Fig. 1 bei einer weiteren abgewandelten Ausführungsform eines Drehzylinders.

[0015] Der in den Fig. 1 bis 6 dargestellte hydraulische Drehzylinder weist ein äußeres Gehäuse 1 auf, in dem als Rotor ein Drehkolben 2 drehbar und abgedichtet gelagert ist. In der Innenwand des Gehäuses 1 sind zwei sich jeweils fast über den halben Umfang erstreckende Ringkammern 3 ausgespart, die jeweils durch radial nach innen ragende, mit dem Gehäuse 1 verbundene und dichtend am Drehkolben 2 anliegende Trennstege 4 voneinander getrennt und abgedichtet sind.

[0016] Am Anfang jeder Ringkammer 3 mündet jeweils eine hydraulische Leitung 5, die mit einer (nicht dargestellten), die hydraulische Antriebsenergie liefernden Druckquelle verbunden sind, die einen hydraulischen Druck D liefert. Am Ende jeder Ringkammer 3 ist jeweils eine Rücklaufleitung 6 herausgeführt, die mit einem (nicht dargestellten) Sammelbehälter verbunden ist. Der im gesamten Rücklaufsystem herrschende Rücklaufdruck ist in der Zeichnung mit R bezeichnet.

[0017] Im Drehkolben 2 sind vier radial bewegliche Kolbenflügel 7, 8 angeordnet, die mit rundem oder länglichem Querschnitt ausgeführt sein können. Die Kolbenflügel 7, 8 sind mittels einer später noch näher beschriebenen Flügelsteuerung paarweise um das Maß t der radialen Tiefe der Ringkammern 3 radial zurückziehbar (in Fig. 1 am Beispiel der Kolbenflügel 8 dargestellt) und ausfahrbar (am Beispiel der Kolbenflügel 7 dargestellt).

[0018] Die im ausgefahrenden Zustand dargestellten beiden Kolbenflügel 7 ragen dichtend in die beiden Ringkammern 3 und werden dort jeweils auf einer Seite mit dem Druck D beaufschlagt. Dadurch wird der Drehkolben 2 mit konstantem Drehmoment in der in Fig. 1 durch einen Pfeil 9 angedeuteten Drehrichtung gedreht.

[0019] Jeder Kolbenflügel 7, 8 ist an seinem radial inneren Ende mit einem Steuerkolben 10 versehen, der in einem Radialzylinder 11 des Drehkolbens 2 beweglich aufgenommen ist. Der Steuerkolben 10 ist als doppeltwirkender Kolben ausgeführt, der auf seinen beiden Kolbenseiten über hydraulische Leitungen 12 bzw.13 wechselseitig mit einem Steuerdruck P oder dem Rücklaufdruck R beaufschlagt werden kann. Dadurch wird der Kolbenflügel 7 bzw. 8 zwischen seiner zurückgezogenen Stellung (Kolbenflügel 8 in Fig. 1) und seiner ausgefahrenen Stellung (Kolbenflügel 7 in Fig. 1) gesteuert.

[0020] Jeder der Kolbenflügel 7 bzw. 8 wird bei Annäherung an einen der Trennstege 4 zurückgezogen, bis er nicht mehr über den Umfang des Drehkolbens 2 hinausragt. In dieser Stellung kann der Kolbenflügel 7 bzw. 8 den Trennsteg 4 passieren. Danach wird der Kolbenflügel 7 bzw. 8 wieder ausgefahren, bis er am Anfang der nächsten Ringkammer 3 dichtend in diese hineinragt.

[0021] Die Beaufschlagung der Steuerkolben 10 auf wechselnden Seiten mit dem Steuerdruck P erfolgt über einen Drehschieber 14, der in den Fig. 2 und 3 in zwei Querschnitten dargestellt ist. Der Drehschieber 14 ist mit dem Drehkolben 2 fest verbunden. In der Innenwand eines Gehäuses 15, in dem der Drehschieber 14 dichtend aufgenommen ist, sind bogenförmige Aussparungen 16 bzw. 17 paarweise gegenüberliegend angeordnet. In den Ausnehmungen 16 steht der Steuerdruck P an, während in den Aussparungen 17 der Rücklaufdruck R herrscht. Am Umfang des Drehschiebers 14 münden die in der Zeichnung ebenfalls mit R bzw. P bezeichneten Leitungen 12 bzw. 13, die zu den beiden Seiten der Steuerkolben 10 führen.

[0022] Bei der Drehung des Drehschiebers 14 werden auf diese Weise die beiden Seiten jedes Steuerkolbens 10 abwechselnd mit dem Steuerdruck P oder dem Rücklaufdruck R beaufschlagt. Die Umfangserstreckung der Ausnehmungen 16, 17 ist so gewählt, daß die Kolbenflügel 7, 8 in der schon beschriebenen Weise beim Passieren der Trennstege 4 betätigt werden.

[0023] Die innere Stirnfläche 11a des Radialzylinders 11 bildet einen mechanischen Anschlag für den Steuerkolben 10 und begrenzt damit den nach außen gerichteten Hub des Kolbenflügels 7 bzw. 8 so, daß die Außenkanten der Kolbenflügel 7, 8 in den Ringkammern 3 zwar dichten, aber an deren Wandungen keinen Druck ausüben, so daß zwischen dem Kolbenflügel 7 bzw. 8 und der Wandung der Ringkammer 3 noch ein Spalt verbleibt. Dadurch wird verhindert, daß durch Fliehkräfte eine Pressung der Kolbenflügel 7, 8 auf die Innenwandung der Ringkammern 3 erfolgt.

[0024] Um einen Volumenausgleich für die beim Hub der Kolbenflügel 7, 8 in den Ringkammern 3 eintretende Volumenänderung zu erreichen, ist eine Volumenausgleichseinrichtung vorgesehen. Diese bsteht beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 6 aus vier Volumenausgleichskolben 18, die jeweils in einen Volumenausgleichszylinder 19 des Gehäuses 1 verschiebbar aufgenommen sind. Jeder Volumenausgleichskolben 18 ist als Stufenkolben ausgebildet. Ein dem kleineren Kolbenabschnitt 20 zugekehrter Abschnitt 19a des Volumenausgleichszylinders 19 ist hydraulisch mit der Ringkammer 3 verbunden. In einem größeren Zylinderabschnitt 19b des Volumenausgleichszylinders 19 ist ein größerer Kolbenabschnitt 21 des Volumenausgleichskolbens 18 wechselweise mit dem Steuerdruck P beaufschlagbar bzw. mit dem Rücklauf R verbindbar.

[0025] Die Kolbenflügel des Kolbenabschnitts 20 und der Hub des Volumenausgleichskolbens 18 sind so aufeinander abgestimmt, daß bei jedem Kolbenhub eine Volumenänderung eintritt, die der Volumenänderung bei einem Hub des Kolbenflügels 7 bzw. 8 entspricht.

[0026] Die wechselweise Beaufschlagung des Volumenausgleichskolbens 18 mit dem Steuerdruck P erfolgt über einen Drehschieber, der in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Der Drehschieber ist ebenfalls mit dem Drehkolben 2 verbunden und steuert die Volumenausgleichskolben 18 drehwinkelabhängig und synchron mit den Bewegungen der Kolbenflügel 7, 8.

[0027] Da die Kolbenflügel 7, 8 jeweils nur paarweise bewegt werden, während das jeweils andere Paar von Kolbenflügeln dichtend in die beiden Ringkammern 3 eingreift, ist sichergestellt, daß durch den Druck D ständig ein konstantes und gleichförmiges, d.h. pulsationsfreies Drehmoment auf den Drehkolben 2 ausgeübt wird.

[0028] Fig. 6 zeigt in einer Darstellung ähnlich der Fig. 1 eine abgewandelte Ausführungsform, die eingesetzt werden kann, wenn der Antriebsdruck D stets kleiner als der Steuerdruck P ist. Die Kolbenflügel 7' und 8' sind hierbei mit durchgehend gleichem Kolbenquerschnitt ausgeführt, d.h. die mit dem Steuerdruck P beaufschlagbare innere Kolbenstirnfläche ist gleich der der Ringkammer 3 zugekehrten äußeren Kolbenstirnfläche. Solange der Steuerdruck P auf die innere Kolbenstirnfläche wirkt, wird der Kolbenflügel 7' bzw. 8' in seiner ausgefahrenen Stellung gehalten, wie am Beispiel der Kolbenflügel 7' in Fig. 6 gezeigt ist. Als Anschlag für die Begrenzung des Kolbenhubs dient jeweils ein Querbolzen 22.

[0029] Sobald die innere Kolbenstirnfläche mit dem Rücklauf R verbunden wird, drückt der Betriebsdruck D den Kolbenflügel 7' bzw. 8' nach innen, so daß er in der schon beschriebenen Weise die Trennstege 4 passieren kann.

[0030] Bei dem in Fig. 7 ebenfalls in einem Schnitt ähnlich der Fig. 1 dargestellten weiteren Ausführungsbeispiel weist die Volumenausgleichseinrichtung in jedem Kolbenflügel 7'' bzw. 8'' eine Längsbohrung 23 auf, über die die radial äußere Flügelstirnfläche 24 mit der gleich großen radial inneren Flügelstirnfläche 25 verbunden ist. Diese radial innere Flügelstirnfläche 25 ist in einem abgeschlossenen inneren Flügelzylinder 26 aufgenommen. Auf diese Weise wird erreicht, daß bei jedem Hub der Kolbenflügel 7'' bzw. 8'' das in der Ringkammer 3 verdrängte Flüssigkeitsvolumen im inneren Flügelzylinder 26 aufgenommen wird und umgekehrt. Die Hubsteuerung der Kolbenflügel 7'' und 8'' erfolgt in gleicher Weise wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 durch wechselseitige Beaufschlagung eines am Umfang des Kolbenflügels 7'' bzw. 8'' angebrachten Steuerkolbens 10 mit dem Steuerdruck P.

Ansprüche

1. Hydraulischer Drehzylinder mit einem in einem abgedichteten Gehäuse drehbar gelagerten Drehkolben, mit zwei in Umfangsrichtung durch zwei Trennstege des Gehäuses dichtend voneinander getrennten, mit einer hydraulischen Druckquelle und einem hydraulischen Rücklauf verbindbaren Ringkammern, wobei in jede Ringkammer mindestens ein sich radial aus dem Drehkolben erstreckender Kolbenflügel ragt, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Ringkammer (3) zwei Kolbenflügel (7, 8; 7', 8'; 7'', 8'') vorgesehen sind, daß die Kolbenflügel (7, 8; 7', 8'; 7'', 8'') durch eine drehwinkelabhängige Flügelsteuerung zur Überwindung der Trennstege (4) um das Maß t der radialen Tiefe der Ringkammern (3) radial zurückziehbar und ausfahrbar sind, und daß die beiden Ringkammern (3) jeweils mit einer synchron mit der Flügelsteuerung arbeitenden Volumenausgleichseinrichtung hydraulisch verbunden sind, die die beim Hub der Kolbenflügel (7, 8; 7', 8'; 7'', 8'') eintretende Volumenänderung der Ringkammern (3) ausgleicht.

2. Hydraulischer Drehzylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kolbenflügel (7, 8; 7', 8'; 7'', 8'') in einem Radialzylinder (11) des Drehkolbens (2) dichtend aufgenommen ist und mindestens eine mit einem hydraulischen Steuerdruck (P) beaufschlagbare Kolbenstirnfläche aufweist, und daß in die Radialzylinder (11) mündende Druckleitungen (12, 13) über einen mit dem Drehkolben (2) verbundenen Drehschieber (14) drehwinkelabhängig mit dem Steuerdruck (P) hydraulisch beaufschlagbar sind.

3. Hydraulischer Drehzylinder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kolbenflügel (7, 8; 7'', 8'') an seinem in den jeweils zugeordneten Radialzylinder (11) ragenden Ende als doppeltwirkender Steuerkolben (10) ausgeführt ist, der durch den Drehschieber (14) wechselweise mit dem Steuerdruck (P) hydraulisch beaufschlagbar ist.

4. Hydraulischer Drehzylinder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Kolbenflügel (7, 8) in der Volumenausgleichseinrichtung ein Volumenausgleichskolben (18) zugeordnet ist, der in einem mit der Ringkammer (3) hydraulisch verbundenen Volumenausgleichszylinder (19) synchron zur Bewegung des zugeordneten Kolbenflügels (7, 8) verschiebbar ist.

5. Hydraulischer Drehzylinder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumenausgleichskolben (18) über einen mit dem Drehkolben (2) verbundenen Drehschieber mit hydraulischem Steuerdruck drehwinkelabhängig beaufschlagbar sind.

6. Hydraulischer Drehzylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hub der Kolbenflügel (7, 8; 7', 8'; 7'', 8'') durch mechanische Anschläge (11a, 22) begrenzt ist.

7. Hydraulischer Drehzylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumenausgleichseinrichtung mindestens eine Längsbohrung (23) in jedem Kolbenflügel (7'', 8'') aufweist, über die die radial äußere Flügelstirnfläche (24) mit einer gleichgroßen inneren Flügelstirnfläche 25) verbunden ist, die in einem abgeschlossenen inneren Flügelzylinder (26) angeordnet ist.

Zeichnung