Hydraulische Aidalkolbenmaschine Die Erfindung betrifft eine hydraulische Axial kolbenmaschine mit umlaufendem Kolbenträger und feststehender Taumelscheibe oder mit feststehendem Kolbenträger und umlaufender Taumelscheibe, deren Veränderung .des Hubvolumens durch Verstellung des Schwenkwinkels der Taumelscheibe um eine senkrecht zur Längsachse der Axialkolbenmaschine liegenden Achse erfolgt.
Zur Erzielung eines einfachen Aufbaues sind die meisten hydraulischen Axialkolbenmaschinen schlitzgesteuert. Die Schlitzsteuerung besitzt gegen über der druckabhängigen Steuerung den Nachteil meist stärkerer Geräuschentwicklung. Diese Geräu sche werden vor allem verursacht durch die Druck wechsel bei der Umsteuerung des Zylinderraumes vom Druck- zum Saugkanal und umgekehrt. Um an diesen Stellen einen möglichst stossfreien, harmoni schen Druckverlauf zu erhalten, wird durch entspre chende positive überdeckung z.
B. am Beginn des Druckhubes einer Pumpe eine Vorkompression des im Zylinder eingeschlossenen Flüssigkeitsvolumens erreicht, so dass im Augenblick der bffnung des Zylinderraumes zum Druckkanal hin im Zylinder schon annähernd der gleiche Druck wie im Druckka nal herrscht.
Entsprechend wird durch eine überdek- kung am Beginn des Saughubes eine Expansion der nach Beendigung .des Nutzhubes im Zylinder verblei benden Flüssigkeitsmenge auf den Saug- oder Zu führdruck erreicht.
Die Grösse dieser überdeckun- gen, die bezogen auf die Relativdrehung zwischen Zylinderkörper und Steuerung als überd-eckun.gs- oder Steuerwinkel bezeichnet werden, ist nun ausser vom Betriebsdruck und der Kompressibilität der Be triebsflüssigkeit vor .allem vom Verhältnis Gesamtvo lumen der eingeschlossenen Flüssigkeit zum Nutzvo- lumen, also vom schädlichen Raum der Maschine abhängig.
Bei den bekannten hydraulischen Axialkolben- maschinen ändert sich nun die Grösse des schädli- chen Raumes, wenn durch Veränderung des Kolben hubes das Förder- oder Schluckvolumen verändert wird.
Um bei schlitzgesteuerten Pumpen oder Moto ren mit veränderbarem Förder- oder Schluckvolumen eine möglichst gute. Anpassung der Steuerwinkel an die jeweiligen Betriebszustände zu erreichen, müsste die Grösse der Steuerwinkel bei einer Veränderung des Förder- oder Schluckvolumens ebenfalls verän- dert werden.
Da die Grösse dieser Steuerwinkel be stimmt ist durch die Lage der in die Steuerflächen eingearbeiteten Nuten oder Bohrungen, ist eine direkte Veränderung der Grösse dieser Winkel kon struktiv nicht oder nur mit nicht vertretbarem Auf wand möglich. Es lässt sich jedoch eine Anpassung der Vorkompression bzw. Nachexpansion an die veränderte Grösse des schädlichen Raumes auch er reichen, wenn bei unveränderter Grösse der über- deckungswinkel, d. h. des Drehwinkels, in. dem die Verbindung zwischen Zylinderraum und Saug- bzw.
Druckkanal unterbrochen ist, eine Phasenverschie bung zwischen Kolbenbewegung und der Steuerung erfolgt. Diese Phasenverschiebung wind konstruktiv dadurch erreicht, dass die radiale Ebene, in der die Totpunktlagen der Kolbenbewegung liegen,, und die Lage .der Steuerschlitze gegeneinander verdreht wer den.
Zur Erreichung dieser Verdrehung sind kon struktive Ausführungen vorgeschlagen, bei denen der Steuerspiegel bzw. Steuerzapfen in Abhängigkeit vom Schwenkwinkel ;der Taumelscheibe verdreht wird. Diese Lösung ist konstruktiv aufwendig. Sie erfordert komplizierte mechanische Verbindungsglieder zwi schen der Achse der Taumelscheibe und dem steu ernden Element (Planspiegel, Steuerzapfen). Es hat sich noch keine brauchbare konstruktive Lösung durchgesetzt.
Es sind weitere Ausführungen bekannt, bei denen die Achse, um die die Taumelscheibe bzw. der ge samte Kolbenträger (Birne) zur Veränderung des Hubvolumens geschwenkt wird, nicht senkrecht zur Hauptachse der Maschine angeordnet, sondern um einen bestimmten Winkel zur Senkrechten geneigt ist. Durch diese sogenannte Verkantung wird ebenfalls eine analoge Phasenverschiebung erreicht.
Es erge ben sich dabei jedoch konstruktive und vor allem fertigungstechnische Nachteile .durch ,die schiefe An ordnung der Schwenklager im Gehäuse und vor allem durch die .dadurch notwendig werdende schräge An ordnung der Elemente am Pumpengehäuse, die zur Veränderung des Hubvolumens dienen.
Auch wird eine Anpassung an unterschiedliche Einsatzbedingungen mit dem dadurch erforderlichen unterschiedlichen Verlauf der Phasenverschiebung in Abhängigkeit vom Schwenkwinkel der Taumel scheibe bzw.
des Kolbenträgers erschwert, weil sich jeweils andere Verkantungswinkel erforderlich maschen. Das bedeutet jeweils andere Ausführungen der Gehäuse oder die Anordnung von Einrichtungen, die es ermöglichen, den Verkantungswinkel an: der fertigen Maschine zu verstellen. All das bringt be trächtlichen konstruktiven Aufwand mit sich.
Daher hat sich die Verkantung,der Schwenkachse ausser bei einigen Typen mit schwenkbarem Kolbenträger (Birne), bei denen eine Ausführung mit im Betrieb veränderbarem Verkantungswinkel möglich wurde, in der Praxis nichtdurchgesetzt.
Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, die genannten Nachteile zu beseitigen und eine hydrauli sche Axialkolbenmaschine mit veränderlichem För- der- oder Schluckvolumen zu schaffen,
mit der eine Anpassung der Kompressions- und Expansionsver hältnisse in den Umsteuerpunkten .an die sich bei Veränderung des Hubvolumens durch Änderung des Neigungswinkels der Taumelscheibe infolge der veränderten Grösse des schädlichen Kolbenraumes ergebenden unterschiedlichen Bedingungen erreichen lässt.
Gemäss der Erfindung wird diese Aufgabe da durch gelöst, dass die in der Taumelscheibe angeord nete Stirnfläche, an welcher die im Kolbenträger achsparallel angeordneten Kolben direkt oder über Gleitschuhe anliegen, zur Schwenkachse der Taumel scheibe um einen bestimmten Winkel geneigt ist.
Diese Neigung der die Bewegung der Kolben be- stimmenden Stirnfläche kann durch den Ein- oder Anbau einer keilförmigen Laufplatte in bzw. an die Taumelscheibe erreicht werden. Diese Laufplatte kann ferner in. der Taumelscheibe um die Mittelachse derselben drehbar gelagert oder so angeordnet sein, dass sie in verschiedenen Winkellagen um die Mittel achse verdreht befestigt werden kann.
In .der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsegenstandes dargestellt. Es zeigt: Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Axialkol- benmaschine mit Plansteuerspiegel und schwenkba rer Taumelscheibe, Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie V-W in Fig. 1,
Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie X-Y in Fig. 1 und Fig. 4 die geometrischen Zusammenhänge. Beider .Axialkolbenmaschine sind in einem Kol benträger 1 mehrere Kolben 2 in, achsparallel um die Drehachse des Kolbenträgers 1 angeordneten Zylin- dorbohrungen 3 geführt.
Der Kolbenträger 1 sitzt da bei auf einer Antriebswelle 4, die mittels Kugellager 5,6 in Gehäuseflanschen 7,8 gelagert ist. In einem durch .die Gehäuseflansche 7,8 abgeschlossenen Ge häuse 9 ist eine schwenkbare Taumelscheibe 10 so gelagert, dass ihre Schwenkachse O.-02 (Fig. 3) rechtwinklig zur Drehachse 0,-0, des Kolbenträgers 1 liegt.
Die Kolben 2 liegen über kugelig angelenkte Gleitschuhe 1.1 an einer Stirnfläche 12' einer keilför- migen Laufplatte 12 an, die in der Taumelscheibe 10 angebracht und z. B. mittels eines Stiftes 13 gegen Drehung gesichert ist. Die Stirnfläche 12' der Lauf platte 12 ist gegen die Schwenkachse 02-0. um den Winkel 7 geneigt.
Die Steuerung des Druckmittel stromes wird im dargestellten Beispiel durch einen Plansteuerspiegel 14 am Gehäuseflansch 7 bewirkt (Fig. 2). An der Stirnfläche des Kolbenträgers 1 be finden sich Steueröffnungen 15 in den einzelnen Zylinderbohrungen 3.
Ihnen ,gegenüberliegend trägt der Planstenerspiegel 14 kreisbogenförmige Steuer schlitze 16,17 , von denen jeweils einer mit einem Saugstutzen 18 und der andere mit einem Druckstut zen 19 verbunden ist. Hat ein Kolben 2 nach ausge führtem Saughub ,den äusseren Totpunkt erreicht, so liegt die Steueröffnung 15 der betreffenden Zylinder bohrung 3 in der in Fig. 2 .dargestellten Lage, d. h. die Verbindung zwischen Steueröffnung 15 und Steu erschlitz 16 ist gerade unterbrochen.
Bis zur Herstel lung der Verbindung mit dem Steuerschlitz 17 muss sich der Kolbenträger 1 um den überdeckungswinkel ss, gedreht haben.
Da die Taumelscheibe 10 um .den Winkel y' gegenüber -der Senkrechten zur Drehachse ausgeschwenkt ist, hat sich der Kolben 2 nach der Drehung des Kolbenträgers 1 um den überdeckungs- winkel ss1 um einen bestimmten Betrag vom äusseren Totpunkt wegbewegt, wodurch sich das Volumen der Zylinderbohrung 3 schon um den entsprechenden Betrag verringert hat.
Andererseits besteht aber keine Verbindung zu dem Saug- oder Druckstutzen 18, 19, die in der Zylinderbohrung 3 befindliche Flüssig keitsmenge ist also abgeschlossen, die Volumenver- minderung muss sich somit unter Berücksichtigung der Leckverluste in einer Kompression des einge schlossenen Flüssigkeitsvolumens und damit in einer Druckerhöhung äussern.
Der überdeckungswinkel ss1 ist nun so gross ge wählt, dass zum Zeitpunkt der Herstellung der Ver- bindung an der Steueröffnung 15 zum Steuerschlitz 17 in der Zylinderbohrung 3 annähernd eine Druck erhöhung auf dem im Steuerschlitz 17 herrschenden Betriebsdruck erreicht ist.
Der umgekehrte Vorgang ergibt sich bei der Ex pansion des nach dem Druckhub in der Zylinderboh- rung 3 verbleibende Restvolumens auf den Druck im Steuerschlitz 16 im Bereich des überdeckungswin- kels (32. Die Totpunkte der Kelbenbewegung liegen bei der maximalen Schwenkbewegung um den Win kel y' in einer Ebene TI-T, (Fig. 2).
Wird nun der Winkel j der Taumelscheibe 10 zwecks Verringe rung des Hubvolumens verkleinert, so bewirkt die Neigung des Winkels 7, der Stirnfläche 12' der Lauf platte 12 eine Verdrehung der Totpunktebene der Kolbenbewegung in eine Lage T2 T2.
Die Grösse der erwähnten. Verdrehung der beiden Totpunktebenen ergibt sich aus folgenden Zusam menhängen: Fig.4 zeigt die Drehachse 0l-0, und die Schwenkachse 02-02 der Taumelscheibe 10 in waagerechter Lage. Senkrecht dazu geht durch die Drehachse<B>0, -0,</B> eine Ebene, an der bei Axialkol- benmaschinen der bisher üblichen Ausführung die Totpunkte der Kolbenbewegung liegen würden.
Sie ist im folgenden als Neutralebene El der Steuerung bezeichnet. Auf ihr liegen der Mittelpunkt A der Steuerfläche, der Scheitelpunkt G des Winkels ;% und. .der Mittelpunkt B der Taumelscheibe 10, das ist der Schnittpunkt der Ebene, in der sich ,die Mitten der Kugelgelenke der Kolben 2 mit der Schwenkachse <B>02-02</B> bewegen.
Die durch den Mittelpunkt B gehende Ebene, in der sich die Kugelmitten der Gleitschuhe 11 bewegen, liegt parallel zur Stirnfläche der Laufplatte 12 um den Winkel .1 zur Schwenkachse 0,-0. geneigt. In dieser Ebene liegen in Fig. 4 der Mittelpunkt B, der Scheitelpunkt G und der Punkt<I>D. BG</I> ist die Schnitt kante mit der Neutralebene El der Steuerung, sie ist um den Winkel y' der Taumelscheibe 10 gegen die Senkrechte zur Drehachse 0,-0I geneigt.
Senk recht auf der Neutralebene El steht im Mittelpunkt <I>B</I> die Linie EB. Sie stellt die Mittelachse der Stimflä- ehe 12' der Laufplatte 12,dar. Die durch den Mittel punkt<I>B</I> und Punkt<I>D,</I> E gehende Ebene steht also senkrecht auf der Ebene BDG und ist gegen die Drehachse 0l-0, um den Winkel y% geneigt.
Die Lage der Totpunktebene E2 ergibt sich nun aus folgender Betrachtung: Die Kolben 2 werden achsparallel und die Dreh achse 0,-0l gedreht. Ihre Relativbewegung paral lel zur Drehachse 0,-0i wird bestimmt durch die Anlage an der Stirnfläche 12' der Laufplatte 12, demzufolge durch die Ebene BDG. Die Totpunkte .der Kolbenbewegung sind nun die Punkte, in denen die Kolben 2 den grössten bzw.
kleinsten Abstand vom Plansteuerspiegel 14 aufweisen. Da die Tot punkte bei der durch die zur Drehachse<B>01-01</B> schiefen Ebene BDG erzeugten sinusförmigen Kol benbewegung um 180 Drehwinkel versetzt liegen, müssen sie auf einer Ebene liegen, die Achsschnitt durch den Zylinder ist, auf dem sich die Kolben 2 um die Drehachse 0,-0, bewegen.
Die Ebene, die die Kolbentotpunkte enthält, geht also durch die Mittel punkte A,B. Totpunktebene muss nun der Achs schnitt durch<I>AB</I> sein, beidem der Winkel<I>y,</I> der ge bildet wird .durch die Schnittlinien der Totpunktebene mit der Ebene BDG und mit d er senkrecht zur Achse <B>0, 70,</B> liegenden Sbeuers,piegelebene ADG, ein Maximum wird.
Das ist bei dem Achsschnitt der Fall, der senkrecht auf der Linie GD steht, in der sich die Ebene BDG und die Steuerspiegelebene ADG schneiden.
Die Grösse des Winkels (p, um den folglich die Totpunktebene E"gegenüber der Neutralebene Ei der Steuerung verdreht ist, ergibt sich aus folgenden aus Fig. 4 zu entnehmenden Beziehungen:
EMI0003.0114
ergibt sich:
sin: (p <I>=</I>
EMI0003.0118
Der Winkel y ist der für die Kolbenbewegung mass gebende Neigungswinkel der schiefen Ebene zur Sen kung zur Drehachse 0l-0, Der Winkel y', um den ,die Taumelscheibe 10 um die Schwenkachse 0,-0. geschwenkt ist, steht zum wirksamen Winkel y in der ebenfalls aus Fig. 4 zu entnehmenden Beziehung.
EMI0003.0126
Je nach der Grösse des Winkels A, um den die Stirn fläche 12' der Laufplatte 12 gegen die Schwenkachse 0,-0, geneigt ist, ergibt sich also bei Veränderung des Winkels y' eine bestimmte Veränderung des Winkels (p, um den; die Totpunktebene E2 zur Neu tralebene El der Steuerung verdreht ist.
Durch die zweckentsprechende Wahl des Winkels .1 lässt sich nun eine solche Abhängigkeit des Winkels (p vom Winkel y' erreichen, dass eine sehr .gute Anpassung der Kompressions- und Expansionsvorgänge an die jeweiligen Betriebsbedingungen möglich wird. Bei den üblichen Betriebsbereichen der in Frage kom menden hydraulischen Maschinen liegt die Grösse des Winkels A, etwa zwischen 1 und 4 .
Die in. Fig. 1 und 3 dargestellte, konstruktive Aus führungsform ermöglicht es ausserdem durch einfa ches Auswechseln der Laufplatte 12 gegen eine Lauf platte mit anderem Winkel a eine andere Charakteri stik der Anpassung zu erreichen. Unter bestimmten Umständen kann das auch erfolgen durch eine Ver drehung der Laufplatte 12 in der Taumelscheibe 10, wodurch eine zusätzliche Phasenverschiebung über lagert wird.
Die gleiche Anondnung kann auch An wendung finden bei Maschinen, bei denen sich die Kolben auf ein in. der Taumelscheibe angeordnetes Wälzlager abstützen. Bei einer .solchen Ausführungs form wird das Wälzlager um den Winkel A, geneigt in die Taumelscheibe eingebaut.