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Die Erfindung betrifft eine Axialkolbenverstellmaschine zur Umwandlung von hydraulischer Arbeit in mechanische Arbeit oder umgekehrt mit einer Mehrzahl von Hydraulikzylindern, die mit im wesentlichen parallelen Achsen um eine gemeinsame Längsachse drehbar angeordnet sind, mit Kolben, die in den Zylindern beweglich angeordnet sind und die mit einer schwenkbaren Scheibe in Verbindung stehen und mit einer Verstelleinrichtung, mit der der Schwenkwinkel der Scheibe eingestellt werden kann, mit einer Hülse, die unverdrehbar gegenüber den Zylindern ist und die ausserhalb der Scheibe angeordnet ist, wobei an der Scheibe und an der Hülse Eingriffsmittel zur Übertragung eines Drehmoments zwischen Scheibe und Hülse ausgebildet sind.
Axialkolbenverstellmaschinen der oben genannten Art sind dazu geeignet, die Energie eines unter Druck stehenden Hydraulikmediums in mechanische Arbeit in Form einer Drehbewegung umzuwandeln. Motoren solcher Art werden für verschiedene Arbeitsmaschinen, wie Gabelstapler oder Bagger, verwendet. Im umgekehrten Fall ist mit einer solchen Maschine gegebenenfalls auch ein Pumpbetrieb möglich, bei dem man durch Antrieb der Maschine ein Hydraulikmedium unter Druck setzen kann.
Maschinen der oben beschriebenen Art werden in der Praxis Schrägscheibenmaschinen genannt. Wesentliches Merkmal der Schrägscheibenbauwert ist, dass sich die Kolben mit der Abtriebsdrehzahl um eine gemeinsame Längsachse drehen. Die hin- und hergehende Bewegung der Zylinder, die in diesen Kolben angeordnet sind, wird dadurch erreicht, dass sich die Kolben an einer schwenkbaren Scheibe abstützen. Der Kolbenhub hängt dabei von dem Winkel ab, um den die Scheibe verschwenkt wird. Auf diese Weise ist eine sehr leichte Regelung der Leistung und der Drehzahl einer solchen Maschine möglich.
Aus der WO 86/00376 ist ein Axialkolbenverstellmotor bekannt, der in der oben beschriebenen Art ausgebildet ist. An der Vorderseite der einzelnen Kolben sind gelenkig Gleitschuhe angebracht, die an einer schwenkbaren, sich aber nicht drehenden Scheibe, hydrostatisch gelagert sind. Während des Arbeitshubes wird auf jeden Kolben durch die Schrägstellung der Scheibe eine Querkraft ausgeübt, die auf den gemeinsamen Zylinderkörper, in dem alle Kolben angeordnet sind, ein Drehmoment ausübt. Dadurch wird der Zylinderkörper in Drehung versetzt, wobei das entsprechende Drehmoment über eine Welle abgegriffen werden kann, an der der Zylinderkörper aufgekeilt ist, wobei sich diese Welle durch die Schrägscheibe hindurch erstreckt.
Eine solche bekannte Vorrichtung besitzt jedoch eine Reihe von Nachteilen. Zunächst ist der Schwenkwinkel der Schrägscheibe aus konstruktiven Gründen auf einen Maximalwert von etwa 18 beschränkt. Dies hat einerseits seinen Grund dann, dass der Raum für die hindurchtretende Abtriebswelle freizuhalten ist. Andererseits verursachen die Querkräfte, die während der Arbeitshübe der Kolben auf diese ausgeübt werden, Kippmomente, die die Kolbenführungen stark belasten. Es ist offensichtlich, dass diese Kippmomente mit zunehmendem Neigungswinkel der Schrägscheibe stark ansteigen. Auch dies begrenzt den Schrägstellungswinkel. Andererseits jedoch hängt der Wirkungsgrad einer solchen Arbeitsmaschine stark von dem Neigungswinkel der Schrägscheibe ab. Bei kleineren Winkeln ist eine starke Verringerung des Wirkungsgrades zu beobachten.
Bei einem Winkel von 4 oder weniger kann Selbsthemmung auftreten, d. h. der Wirkungsgrad beträgt im Motorbetrieb null.
Aus der US 765 434 A ist eine Axialkolbenverstellmaschine bekannt, die drehbare Hydraulikzylinder aufweist, deren Kolben mit einer schwenkbaren Scheibe in Verbindung stehen. Über eine Verstelleinrichtung kann der Schwenkwinkel der Scheibe eingestellt werden. Die Übertragung des Drehmoments von der schwenkbaren Scheibe auf die Kolbeneinheit erfolgt über eine am Umfang der Kolbeneinheit angeordnete Verzahnung, die in der Form von konisch in Axialrichtung vorragenden Stangen ausgebildet ist. Die Zylindereinheit ist dabei auf einer Welle gelagert und mit dieser Welle fest verbunden, die sich durch die Scheibe hindurch erstreckt. Das Drehmoment wird beim Pumpenbetrieb über diese Welle eingeleitet bzw. beim Motorbetrieb über diese Welle abgenommen Aus diesem Grund ist der zulässige Schwenkbereich der Scheibe beschränkt.
Ausserdem kann der Durchmesser der Zylindereinheit einen bestimmten Mindestwert nicht unterschreiten
Die WO 96/02735 zeigt eine ähnliche Lösung, bei der die Antriebs- bzw. Abtriebswelle die Scheibe durchdringt. Auch hier ist der Schwenkwinkel der Scheibe aus Platzgründen beschränkt. Bei der Lösung die in der GB 1 106 486 A beschrieben ist, ist der Schwenkwinkel der Scheibe betriebsmässig nicht veränderbar. Lediglich eine geringfügige Einstellmöglichkeit ist vorgesehen Auch bei dieser Lösung durchdringt eine zentrale Welle die Scheibe.
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Den oben beschriebenen bekannten Lösungen ist gemeinsam, dass das Drehmoment, das im Pumpbetrieb in die Scheibe einzuleiten ist, bzw. das im Motorbetrieb an der Scheibe abgegriffen wird, über eine zentrale Welle nach aussen geführt wird. Diese zentrale Welle ist entweder über eine Art einer kardanischen Aufhängung mit der Scheibe selbst verbunden, oder das Drehmoment wird über die Zylindereinheit geleitet, die mit der Scheibe über eine äussere Hülse od. dgl. in kraftschlüssiger Verbindung steht. Beiden Lösungen ist gemeinsam, dass die zentral angeordnete Welle den Schwenkwinkel der Scheibe einschränkt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Axialkolbenverstellmaschine der oben beschriebenen Art so weiterzubilden, dass die beschriebenen Nachteile vermieden werden können, und dass ein grosser Verstellbereich bei hohem Wirkungsgrad möglich ist. Dies soll bei möglichst kompakten Abmessungen und geringer Belastung der entsprechenden Bauteile erzielt werden.
Erfindungsgemäss werden diese Aufgaben dadurch gelöst, dass am äusseren Umfang der Hülse ein Zahnrad angebracht ist, um ein Drehmoment von der Hülse abzunehmen oder in diese einzuleiten. Wesentlich an der vorliegenden Erfindung ist, dass das Drehmoment nicht an den Zylindern, sondern an der Schrägscheibe selbst abgegriffen wird. Da keinerlei Welle durch die Schrägscheibe hindurchgeführt werden muss, können sehr grosse Schwenkwinkel erzielt werden. Die Belastung der Kolben-Zylinder-Paarung erfolgt gemäss der Erfindung im wesentlichen nach in Axialrichtung, so dass diese Bauteile klein, kostengünstig und langlebig hergestellt werden können.
Entscheidend für die Erfindung ist nicht, dass die Hülse als Bauteil gestaltet ist, der die Scheibe in der Form einer Umhüllung umschliesst, sondern, dass die Drehmomentübertragung von der Scheibe über einen äusseren Bauteil erfolgt. Aufgrund der Tatsache, dass die weitere Ableitung des Drehmoments bzw. die Einleitung des Drehmoments über ein aussen angeordnetes Zahnrad erfolgt, das am äusseren Bauteil, d. h. der Hülse, angeordnet ist, findet der Konstrukteur zur Anordnung der Bauteile im Inneren, d. h. der Zylinder, der Scheibe und der Schwenkvorrichtung, grosse Freiheitsgrade. Dies wirkt sich besonders im Motorbetrieb aus, da hier der Wirkungsgrad der Übertragung mit zunehmendem Schwenkwinkel ansteigt.
Wesentlich ist im Hinblick auf den grossen Schwenkwinkel, dass die Scheibe nicht durch eine das Drehmoment übertragende Welle durchsetzt ist, und dass das Drehmoment nicht über die Kolben sondern über einen ausserhalb der Scheibe angeordneten Bauteil übertragen wird.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Zylindertrommel, in der die einzelnen Zylinder angeordnet sind, nicht absolut starr mit den das Drehmoment übertragenden Teilen verbunden sein müssen. Auf diese Weise kann die hydrostatische Abstützung der Zylindertrommel an einer Dichtfläche, an der sie mit einer Steuerscheibe in Verbindung steht, optimal gestaltet werden. Auf diese Weise können die Leckverluste minimiert werden.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Eingriffsmittel als Rollen ausgebildet sind, die am äusserem Umfang der Scheibe angeordnet sind und die in entsprechende Nuten der Hülse eingreifen.
Als besonders vorteilhaft hat sich dabei die Ausbildung mit vier Rollen in einem Winkel von jeweils 90 , die am Umfang der Scheibe angeordnet sind, herausgestellt. Bei einer solchen Ausführungsvariante ist es ausreichend, wenn sichergestellt wird, dass mindestens jeweils zwei Rollen mit den entsprechenden Nuten in Eingriff sind.
Grundsätzlich können die Kolben in den Zylindern so angeordnet sein, dass sie nur in Axialrichtung beweglich sind. In einem solchen Fall müssten auf der Scheibe Gleitschuhe oder andere Mittel vorgesehen sein, um eine gewisse Relativbewegung zwischen den Kolben und der Scheibe in Radialrichtung der Scheibe zuzulassen. Besonders bevorzugt ist es im Gegensatz dazu jedoch, wenn die Kolben mit Kugelgelenken an der Scheibe angelenkt sind und gegenüber den Zylindern geringfügig verschwenkbar sind. In diesem Fall werden die Kolben nur in Axialrichtung belastet.
Auf diese Weise kann auch die hydrostatische Lagerung der Gleitschuhe entfallen, wie sie beim Stand der Technik erforderlich ist, was eine deutliche Verbesserung des Wirkungsgrades mit sich bringt, da die entsprechenden Ölverluste auf diese Weise vermieden werden können.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass an der Scheibe über mindestens ein Wälzlager ein Schwenk-Betätigungskörper befestigt ist, der unverdrehbar gegenüber der Längsachse gehalten ist und an dem die Verstelleinrichtung angreift. Dabei ist es günstig, wenn am Schwenk-Betätigungskörper ein Zahnradsegment vorgesehen ist, das mit einem weiteren Zahnradsegment in Eingriff steht, das über Hydraulikkolben betätigbar ist. Auf diese Weise kann mit geringem konstruktiven Aufwand eine schnelle und zuver-
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lässige Verstellung des Schwenkwinkels realisiert werden.
Besonders günstig hat es sich herausgestellt, wenn der maximale Schwenkwinkel der Scheibe auf einen Wert zwischen 35 und 42 , vorzugsweise etwa 40 , festgesetzt ist. Bei grösseren Schwenkwinkeln treten gewisse konstruktive Schwierigkeiten auf. So werden etwa verschiedene Bauteile durch die erforderlichen Ausnehmungen und Freistellungen stark geschwächt, was sich auf die Lebensdauer und Belastbarkeit der Vorrichtung negativ auswirkt.
In einer Reihe von Anwendungsfällen ist es erwünscht, eine Maschine der oben beschriebenen Art sowohl als Motor, als auch als Pumpe betreiben zu können. Bei herkömmlichen Maschinen ist es zu diesem Zweck erforderlich, die Steuerung der Ölversorgung vollständig umzuschalten, um einen solchen Wechsel der Betriebsart ausführen zu können. Wenn die Scheibe aus einer NullLage in beide Richtungen schwenkbar ist, kann eine solche Umschaltung erfolgen, ohne die hydraulikseitige Steuerung verändern zu müssen.
Während des Betriebs der erfindungsgemässen Vorrichtung werden die Zylinder durch den Arbeitsdruck des Hydrauliköls gegen die Steuerscheibe gedrückt. Um nun auch im Bereich des Leerlaufs ein sicheres Anliegen an der Steuerscheibe gewährleisten zu können, ist es günstig, wenn die Hydraulikzylinder in einem gemeinsamen Zylinderkörper angeordnet sind, der an einer feststehenden Steuerscheibe anliegt, die die Ölzufuhr und-abfuhr der Zylinder steuert, und dass vorzugsweise Federn vorgesehen sind, um den Zylinderkörper gegen die Steuerscheibe vorzuspannen.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Scheibe in ihrem mittleren Bereich geschlossen ausgebildet ist. Auf diese Weise kann eine mechanisch besonders robuste Ausführung erreicht werden.
In der Folge wird die Erfindung anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen : 1 und 2 Längsschnitte einer erfindungsgemässen Vorrichtung in voll ausgeschwenktem Zustand gemäss den Linien I-I bzw. 11-11 in Fig. 3, Fig. 3 eine Ansicht der Vorrich- tung von Fig. 1 und 2 mit abgenommener Zylindertrommel und Fig. 4 zeigt die Ausführungsvanante der Fig. 1 bis 3 in der Nullstellung.
In der Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch eine erfindungsgemässe Axialkolbenverstellmaschme dargestellt. In einer Zylindertrommel 1 ist eine Mehrzahl von Zylindern 2 angeordnet, deren Achsen 2a parallel zueinander und parallel zu einer gemeinsamen Längsachse 3 sind. In jedem Zylinder 2 ist ein Kolben 4 in Axialrichtung beweglich angeordnet. Durch eine entsprechende Ausbildung der Kolben 4 mit extrem kurzen Dichtflächen 5 ist ausserdem eine geringfügige Verschwenkung der Kolbenachse 4a gegenüber der Zylinderachse 2a zulässig. An ihren den Zylindern 2 gegenüberliegenden Enden besitzen die Kolben 2 jeweils ein Kugelgelenk 6, das in einer entsprechenden Ausnehmung 7 einer Scheibe 8 gelagert ist. Die Scheibe 8 ist sowohl um die Achse 3 drehbar, als auch um eine raumfeste Achse 9 schwenkbar, die die Längsachse 3 schneidet.
Insgesamt dreht sich die Scheibe 8 bei konstantem Schwenkwinkel a um ihre eigene Achse 8a in bezug auf ein raumfestes Koordinatensystem. Am Umfang der Scheibe 8 sind in Winkelabständen von jeweils 90 vier Rollen 10 angeordnet, deren Drehachsen 10a innerhalb der Scheibenebene liegen und die durch den Schnittpunkt der Längsachse 3 mit der Achse 9 hindurchgehen. Über ein Wälzlager 11 ist an der Scheibe 8 ein Schwenk-Betätigungskörper 12 befestigt, der gemeinsame mit der Scheibe 8 um die Achse 9 schwenkbar ist, der jedoch nicht um die Achse 3 drehbar ist. Der SchwenkBetätigungskörper 12 besitzt an seinem äusseren Umfang ein Zahnradsegment 13, das mit einem weiteren Zahnradsegment 14 in Eingriff steht.
Dieses weitere Zahnradsegment 14 ist über eine ortsfeste Achse 15 schwenkbar angeordnet und steht über zwei Verbindungsglieder 16 mit Steuerkolben 17 in Verbindung, die in entsprechenden Steuerzylindern 18 angeordnet sind, um die Schwenkbewegung der Scheibe 8 zu steuern. Alle diese letztgenannten Bauteile sind im wesentlichen ortsfest, d. h. nicht um die Längsachse 3 drehbar angeordnet.
Radial ausserhalb der Scheibe 8 ist eine Hülse 19 vorgesehen, die an ihrem inneren Umfang vier Nuten 20 aufweist, die parallel zu der Längsachse 3 ausgebildet sind. Die Rollen 10 der Scheibe 8 stehen mit den Nuten 20 zumindest während eines Teils der Drehbewegung von Scheibe 8 und Hülse 19 in Verbindung. Bei dem in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Zustand, in dem die Scheibe 8 maximal ausgeschwenkt ist, können jeweils zwei der Rollen 10 aus den Nuten 20 heraustreten. In diesem Fall erfolgt die Übertragung des Drehmoments von der Scheibe 8 auf die Hülse 19 über die anderen beiden Rollen 10.
Durch diesen Eingriff wird sichergestellt, dass sich die Hülse 19 mit der Winkelgeschwindigkeit um die Längsachse 3 dreht, die der Winkelgeschwindig-
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keitskomponente der Scheibe 8 in Richtung der Längsachse 3 entspricht. Über Wälzlager 21 und 22 wird die Hülse 19 an einem nicht näher dargestellten Gehäuse gelagert. Das im Motorbetrieb an der Hülse 19 induzierte Drehmoment wird über ein Zahnrad 23, das ebenfalls am äusseren Umfang der Hülse 19 vorgesehen ist, abgegriffen.
Der maximale Verstellwinkel α der dargestellten Ausführungsvariante beträgt 40 . Auf diese Weise kann ein sehr grosser Verstellbereich und ein guter Wirkungsgrad erreicht werden. Eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades ist dadurch möglich, dass durch die Wälzlager 11eine weitgehende verlustlose Verstellung der Scheibe 8 erreicht werden kann. Eine hydrostatische Lagerung ist bei der erfindungsgemässen Maschine nur mehr im Bereich der Steuerscheibe 24 erforderlich, die in an sich bekannter Weise ausgebildet ist, um die Ölzufuhr und-abfuhr zu den einzelnen Zylindern 2 bzw. aus diesen Zylindern 2 zu steuern. Druckelemente 26, die an der Hülse 19 gelagert sind, stützen sich über einen Ring 25 an der Zylindertrommel 1 ab.
Wie in der Fig. 2 detailliert dargestellt, bestehen die Druckelemente 26 aus einer zylindrischen Hülse 27, die zur Übertragung des Drehmoments zwischen Hülse 19 und Zylindertrommel 1 vorgesehen ist, und aus einer in der Hülse 27 angeordneten Druckfeder 28. Ein Teller 29 nimmt die Federkräfte der Druckfedern 28 auf und überträgt diese über den Rang 25 auf die Zylindertrommel 1. Auf diese Weise wird erreicht, dass auch beim Anlauf, d. h., wenn sich der Öldruck in den Zylindern 2 noch nicht aufgebaut hat, der notwendige Anpressdruck zwischen Zylindertrommel 1 und Steuerscheibe 24 zur Verfügung steht. Eine Achse 30 dient zur Zentrierung der Zylindertrommel 1 und der Steuerscheibe 24.
Ein besonderer Vorteil der federnden Aufhängung der Zylindertrommel 1 besteht darin, dass die hydrostatische Lagerung der Zylindertrommel 1 gegenüber der Steuerscheibe 24 optimal gestaltet werden kann. Es ist offensichtlich, dass die Zylindertrommel 1 auf der Seite der jeweils den Arbeitstakt ausführenden Zylinder stärker an die Steuerscheibe 24 angepresst ist, als auf der gegenüberliegenden Seite. Die federnde Aufhängung lässt dabei eine geringfügige Schrägstellung der Zylindertrommel 1 zu. Der dadurch hervorgerufene keilförmige Ölfim an der Dichtfläche 5 stabilisiert jedoch die Auflage der Zylindertrommel 1. Auf diese Weise können minimale Leckageverluste gewährleistet werden.
In der Fig. 3 sind die Ausnehmungen 31 ersichtlich, in die die Hülsen 27 eingeführt werden.
In der Fig. 4 ist die Ausführungsvariante der Fig. 1 bis 3 in einer Darstellung entsprechend der Fig. 1 ersichtlich, wobei sich jedoch die Scheibe 8 in ihrer Null-Lage befindet. In dieser Stellung kann der Öldruck in den Zylindern 2 kein Drehmoment an der Hülse 19 erzeugen. Wenn die Scheibe 8 aus der Stellung von Fig. 4 weiter geschwenkt wird, um eine Stellung zu erreichen, die der von Fig. 1 entgegengesetzt ist, wird die erfindungsgemässe Vorrichtung vom Motorbetrieb in den Pumpbetrieb umgeschaltet. Auf diese Weise kann ohne komplizierte hydraulische und mechanische Schaltungen, beim Bremsbetrieb eines Fahrzeuges Energie wiedergewonnen werden.
Durch den grossen Schwenkwinkel kann mit der erfindungsgemässen Vorrichtung eine sehr grosse Leistungsdichte erreicht werden. Dies bezieht sich sowohl auf das Volumen, d. h. den äu- #erst kompakten Aufbau der Vorrichtung, als auch auf das günstige Leistungsgewicht. Weiters ist durch den grossen Schwenkwinkel ein guter Wirkungsgrad und ein feinfühlige Regelbarkeit gegeben. Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist besonders für die Anwendung in Fahrzeugen geeignet, bei denen es auf geringe Baugrösse und geringes Gewicht ankommt.
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