Regelbarer Hydraulik-Axialkolbemnotor Bekannte regelbare Hydraulik-Axialkolbenmotoren sind durch ihren konstruktiven Aufbau nicht für grosse Drehzahlbereiche bei konstanter Leistungsabgabe ge eignet. Der Hauptgrund hierfür sind die sehr grossen axialen Kolbenkräfte und die hierdurch bedingten Lager belastungen der beweglichen Bauelemente. Die kon struktive Ausbildung der Lagerungen in hydrostatischen Kraft- und Arbeitsmaschinen, zu denen der Hydraulik- Axialkolbenmotor gehört, ist bis heute über Wälz- und hydronamische Gleitlagerungen nicht hinausgekommen.
Diese Lagerungen besitzen einen bestimmten Arbeits uni Lebensdauerbereich, der von der jeweiligen Gleit- geschwindigkeit und Belastung abhängig ist. Mit ihnen ist es nicht möglich, einen Hydraulik-Axialkolbenmotor z. B. dauernd unter Höchstdruck innerhalb eines grossen Drehzahlbereiches arbeiten zu lassen. Die Lebensdauer des Motors würde hierbei sehr stark gemindert. Die auftretenden Reibungskräfte bei niedrigen Drehzahlen schränken ausserdem den Drehzahlbereich bei regel baren Motoren beträchtlich ein und führen zu einer Senkung des mechanischen Wirkungsgrades.
Dieses gilt auch für sogenannte ausgeglichene hydrostatische Lagerungen, denn ein Ausgleich lässt sich niemals voll kommen ausbilden.
Zur Drehzahlregelung wird bei den bekannten Hy- draulik-Axialkolbenmotoren eine Taumel- oder Schräg scheibe durch mechanische Organe verstellt. Hierdurch wird das Hubvolumen der axial angeordneten Druck zylinder und infolgedessen die Drehzahl des Motors, bei konstanter ölmengenzufuhr von der Pumpe, ver ändert. Durch die auf die Taumel- oder Schrägscheibe wirkenden grossen Kolbenkräfte, insbesondere bei Hoch druckmotoren, erfordern mechanische Verstellorgane einen entsprechenden Konstruktionsaufwand. Ausser dem sind derartige Organe für eine genaue und fein fühlige Drehzahlregulierung durch die erforderlichen Verstellkräfte nicht geeignet.
Durch beide genannten Nachteile, die herkömmliche Art der Drehzahlregulie rung und die herkömmlichen Lagerungen, sind also Hydraulik-Axialkolbenmotoren in ihrer Anwendung und Ausnutzung starken Beschränkungen unterworfen. Die Erfindung bezweckt, die Nachteile und Mängel der be kannten Konstruktionen zu beseitigen.
Der erfindungsgemässe Hydraulik-Axialkolbenmotor ist gekennzeichnet durch eine fremdbetätigte - mit der Abtriebswelle des Motors nicht gekoppelte - Ven tilsteuerung und Drehzahlverstellung, gebildet aus einer Steuereinheit mit Ventilen, Steuermotor und zugehöri ger Steuerscheibe, in Verbindung mit Verwendung hy drostatischer Lager zur Lagerung der beweglichen Bau teile des Motors mit selbsttätiger Steuerung des Öl druckes durch Belastung des Motors.
Zur Drehzahlsynchronisierung von zwei oder meh reren Motoren kann auch eine gemeinsame Steuerein heit verwendet werden, indem man diese durch Öl leitungen mit den Motoren verbindet.
Der Steuermotor kann wahlweise ein marktübli cher, regelbarer Hydraulik- oder Elektromotor sein. Die konstruktive Form der Ventile kann zweckent sprechend gewählt werden, z. B. Schieber-, Sitz- oder Kombinationsventil.
Da der regelbare Steuermotor mit nur geringer Lei stung, etwa 1 % der Leistung des zu regelnden Hydrau- likmotors, ausgelegt werden muss, ergeben sich beson dere Vorteile für Genauigkeitsantriebe wie z. B. im Werkzeugmaschinenbau. Wenn die Antriebswelle des Hydraulikmotors beispielsweise so ausgebildet wird, dass sie zur Hauptarbeitsspindel einer Werkzeugma schine wird, so ist der Vorteil in der Möglichkeit der einfachen Realisierung einer Programmsteuerung der Drehzahl unter Last und der Kompaktheit des Systems zu sehen.
Hydrostatische Drucklager zur Aufnahme rotieren der Radial- und Axialkräfte sind an sich bereits bekannt und mit grossem Erfolg in den verschiedensten Ma schinen eingesetzt worden. Werden derartige Lager zweckentsprechend gestaltet, so können die Lagerrei bung und der Verschleiss praktisch ausgeschaltet wer den, da Reibungskoeffizienten von 0,0001 bis 0,000001 erreichbar sind. Die Konstruktion hydrostatischer Drucklager ist verhältnismässig einfach. Betriebssichere Ausführungen für schwankende Lagerkräfte und grosse Drehzahlbereiche müssen jedoch mit einer Steuerung für das zugeführte Drucköl versehen werden.
Bei Kraft- und Arbeitsmaschinen ohne vorhandene Hydraulik fal len entsprechende Kosten zur Betreibung hydrostatischer Drucklager an, weshalb man bisher derartige Lagerun gen auch hauptsächlich bei grösseren Maschinen ein setzte. Da jedoch bei Hydraulik-Axialkolbenmotoren die Hydraulik naturgemäss bereits vorhanden ist, sind sie für den Einsatz von hydrostatischen Drucklagern her vorragend geeignet.
Dieses gilt in besonderem Masse für regelbare Hydraulikmotoren, bei denen bekanntlich die ölschluckmenge konstant bleibt und die für die Lagerstellen des Motors benötigte Ölmenge dieser zugeschlagen werden kann. Der volumetrische Wir kungsgradeines solchen Motors wird durch diese Mass nahme zwar etwas verringert, wodurch jedoch der me chanische Wirkungsgrad durch die fast vollkommene Beseitigung aller Reibungskräfte entsprechend vergrö ssert wird.
Da in hydrostatischen Drucklagern eine me tallische Berührung der aufeinander gleitenden Teile ausgeschlossen wird, tritt praktisch kein Verschleiss ein, wodurch ihr Einsatz allein schon gerechtfertigt wird. Ausserdem besitzen hydrostatische Drucklager eine zehnmal grössere Schwingungsdämpfung als nor male hydronamische Gleitlager und beste Wälzlagerun- gen. Nachfolgend wird anhand der Zeichnung ein Aus führungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes beschrie ben.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch den Hydrau- lik-Axialkolbenmotor.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch die Taumel scheibe des Motors.
Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht mit einem Teil schnitt durch die Ventilsteuerung.
Fig. 4 zeigt einen vergrösserten Ausschnitt aus Fig. 1 mit Teilschnitten durch die Triebwerksteile des Motors unter besonderer Hervorhebung der hydrosta tischen Druckschmierung.
Fig. 5a bis d zeigen die statische Belastung der Taumelscheibe, und Fig. 6a und b zeigen das Hub-Drehzahlverhalten des Motors bei konstanter Leistungsabgabe.
Der Hydraulik-Axialkolbenmotor besteht haupt sächlich aus dem Gehäuse 1, der Abtriebswelle 2, den hydrostatischen Drucklagern 3 und 4 zur Lagerung der Abtriebswelle, der in Zapfen 5 gelagerten Taumel scheibe 6, der Triebscheibe 7 mit Stützring 8 zur Füh rung der kugelförmigen Kolbenstange nköpfe 9, den Kolbenstangen 10 mit Kolben 11 und Druckzylindern 12, den sphärischen Lagern zur Führung der Druck zylinder bestehend aus den Büchsen 13 und den Innen ringen 14, der hydrostatischen Lagerung 15 bis 23 für die Triebscheibe 7 und den Kugelstangenköpfen 9,
dem Rollenlager 24 mit Führung 25 zur Verhinderung des Mitdrehens der Triebscheibe 7, und der Steuerein heit 26 mit den Steuerventilen 27, der Steuerscheibe 28 und dem Steuermotor 29.
Die Abtriebswelle 2 ist vorn in einem konischen hydrostatischen Drucklager 3 gelagert, das zur gleich zeitigen Aufnahme von Axial- und Radialkräften aus gebildet wurde. Durch die konische Form des Lagers wird erreicht, dass die sehr grosse Axialkraft in Rich tung auf das Lager, bestehend aus der Summe der Kolbenkräfte, die Abtriebswelle 2 gegenüber den klei neren Radialkomponenten stets selbständig in der Lager- mitte hält.
Hinten wird die Abtriebswelle 2 in einem hydrostatischen Radialdrucklager 4 geführt. Beide Lager besitzen in den Gleitflächen mehrere Druckkammern und ölabführnuten, entsprechend der Form den Druck kammern 22 und ölabführnuten 23 der Fig. 2 und 4. Die Druckkammern werden mit der Druckölzuführung zum Motor durch Leitungen verbunden, d. h. der sta tische Öldruck in den Druckkammern ist der gleiche wie in den Druckzylindern 12 und entspricht somit der jeweiligen Belastung des Motors.
Hierdurch wird die Lastaufnahmefähigkeit der Lager 3 und 4 durch die Belastung des Motors selbständig gesteuert.
Die Taumelscheibe 6 ist nach Fig. 1 und 2 dreh bar in Zapfen 5 gelagert und dient zur Umwandlung der translatorischen Bewegung der Kolben 11 in eine drehende Bewegung der Abtriebswelle 2. Auf der Tau melscheibe 6 befindet sich die Triebscheibe 7 zur Übertragung der Kolbenkräfte. Die Triebscheibe 7 ist lagerungsmässig das wichtigste und höchstbeanpsruchte Bauelement des Motors.
Sie muss die grossen axialen und radialen Komponenten der Kolbenkräfte reibungs- und verschleissfrei auf die Taumelscheibe 6 übertragen und ausserdem Schwingungen der Ölsäulen in den Druckzylindern 12 dämpfen und von der Übertragung auf die Taumelscheibe fernhalten. Von ihrer konstruk tiven Gestaltung sind Lebensdauer, Drehzahlverstell- barkeit und Geräuschbildung des Motors weitgehend abhängig. Daher wurde die Triebscheibe 7 vollkommen mit hydrostatischen Drucklagern versehen. Das Grund prinzip hydrostatischer Drucklager ist bekannt und nicht mit hydrostatischen Druckausgleichen vergleich bar.
Bei letzteren bleiben immer Restkräfte, die eine Berührung der aufeinander gleitenden Lagerflächen nicht ausschliessen. Bei einem hydrostatischen Druck lager werden jedoch durch den statischen Öldruck der Druckkammern die Gleitflächen voneinander abgeho ben und ausschliesslich durch den Öldruck getragen. Soll jedoch ein derartiges Lager betriebssicher bei Be lastungsänderung arbeiten, so muss der Öldruck im Rhythmus der Belastungsänderung variiert werden, d. h. bei steigender Belastung muss der Öldruck in den Druck kammern im gleichen Verhältnis erhöht werden.
Bei der Ausführung der Triebscheibe 7 wird gemäss der Fig. 2 und 4 der Druck für die Druckkammern 18 der axialen Gleitfläche 17 und für die Druckkammern 22 der radia len Gleitfläche 21 über Bohrungen 16 und 20 den Druck kammern 15, die durch die hohlen Kolbenstangen 10 mit den Druckzylindern 12 verbunden sind, entnom men. Da jedem Druckzylinder 12 eine axiale 18 und radiale Druckkammer 22 in der Triebscheibe 7 zugeord net ist, wird ohne zusätzliche Steuerorgane die Be lastungsaufnahme am gesamten Umfang der Trieb scheibenlagerung, durch den jeweiligen Arbeitsdruck der Druckzylinder 12, automatisch gesteuert.
Damit sich die einzelnen Druckkammern untereinander nicht beeinflussen können, sind sie durch ölabflussnuten 19 und 23 voneinander getrennt. Die ölabflussnuten 19 und 23 voneinander getrennt. Die ölabflussnuten haben gleichzeitig die Aufgabe der schnellen Ölabführung des zwischen den Gleitflächen 17 und 21 hindurchgepressten Öles, zur Verhinderung grösserer Ölerwärmungen bei grossen Gleitgeschwindigkeiten.
Die kugelförmigen Kolbenstangenköpfe 9 und die Druckzylinder 12 sind ebenfalls mit hydrostatischen Drucklagern versehen (Fig. 4). Zur Lagerung der Kol- benstangenköpfe 9 sind in der Triebscheibe 7 Kugel- kalotten eingearbeitet, die mit den Kolbenstangenköp- fen die Druckkammern 15 bilden.
Zur Absicherung gegen ein Hineindrücken der Kolbenstangenköpfe 9 in die Druckkammern 15 werden die Durchmesser der Kolbenstangenköpfe gleich oder etwas grösser als die der Kolben 11 ausgeführt, so dass durch den Differenzdruck die Kolbenstangenköpfe 9 dichtend gegen den Stützring 8 gedrückt werden. Durch diese Lagerung wird die Druckbelastung der Kolbenstangenköpfe praktisch voll kommen aufgehoben und Druckschwingungen der Öl- säule in den Druckzylindern 12 durch das Ölpolster in den Druckkammern 15 gedämpft. Die Druckzylinder 12 sind in sphärischen Lagern pendelnd angeordnet.
Hier durch werden Seitenkräfte auf die Kolben 11 ausgeschal tet und durch die phärischenLager übernommen. Die sphärischen Lager bestehen aus den Büchsen 13 und den Innenringen 14 (Fig. 4). Die Innenringe 14 werden strin- seitig, entgegen dem Rückdruck der Druckzylinder 12, durch den vollen Öldruck des Motors beaufschlagt. Da die Aussendurchmesser der Innenringe 14 gleich oder etwas grösser als die der Kolben 11 sind, werden die auf das sphärische Lager wirkenden Axialkräfte durch den Öldruck statisch ausgeglichen.
Das in Fig. 4 einge zeichnete Spiel zwischen den Büchsen 13 und den Innenringen 14 ist zur Veranschaulichung vergrössert dargestellt.
Die fremdbetätigte Steuerung des Hydraulikmotors ist in Fig. 1 in einem Anordnungsbeispiel dargestellt. Sie besteht aus der Steuereinheit 26, die sich aus den Steuerventilen 27, der Steuerscheibe 28 und dem Steuer motor 29 zusammensetzt.
Die Drehzahlregelung des Hydraulikmotors erfolgt dadurch, dass die Steuerventile 27 durch den Steuer motor 29 und die Steuerscheibe 28 schneller oder lang samer bewegt werden und die Kolben 11 diesem Be wegungsrhythmus folgen müssen. Da das von der Pumpe dem Motor zugeführte Ölvolumen Q pro Zeit einheit nach Fig. 6 konstant bleibt, müssen die Kolben bei Drehzahländerungen ihren Hub H zwangläufig ändern. Bei dieser Hubänderung z.
B. von Hl auf H2 wird die Schräglage der Triebscheibe 7 und infolgedes sen der Einstellwinkel a der drehbar in Zapfen 5 ge lagerten Taumelscheibe 6 von a1 nach a2 geändert. Diese Änderung erfolgt durch die Verlagerung des unteren (U.T.) und des oberen Totpunktes (0.T.) der Kolben infolge Änderung der Zeitkonstante für den Zu- und Ablauf des Drucköles zu den Druckzylindern 12. Wird z.
B. nach Fig. 5d .das Ventil für den Druckkolben K1 in Ölrücklaufstellung länger offengehalten, so entsteht an der Taumelscheibe durch das Übergewicht der Kolben kräfte P4, P;, und P6 ein Drehmoment M,1, das die Taumelscheibe in der eingezeichneten Pfeilrichtung auf einen grösseren Winkel a einstellt.
Unterstützt wird dieser Verstellungsvorgang nach Fig. 5c dadurch, dass auch das Ventil für den Kolben K6 länger offen gehal ten, der Öldruck den Kolben länger beaufschlagt und infolgedessen der obere Totpunkt (0.T.) ebenfalls ver schoben wird. Hieraus ist ersichtlich, dass bei langsamer bewegten Ventilen der Hub H und der Taumelschei- benwinkel a vergrössert und bei schneller bewegten Ventilen verkleinert wird.
Da die Bewegungsgeschwin digkeit der Ventile durch die Drehzahl des Steuermotors 29 bestimmt wird, kann die Abtriebsdrehzahl des Hydraulikmotors durch den Steuermotor geregelt wer den. Analog muss zur Einhaltung einer konstanten Abtriebsdrehzahl der Hub H der Kolben 11 bzw. der Einstellwinkel a der Taumelscheibe 6 konstant gehal- ten werden. Hierzu müssen nach Fig. 5a bis d die auf die drehbar in Zapfen 5 gelagerte Taumelscheibe 6 wirkenden Kolbenkräfte K1 bis K6 diese statisch im Gleichgewicht halten.
Zum Nachweis des statischen Gleichgewichtes wurden in den Fig. 5a bis d vier relative Stellungen der sich drehenden Taumelscheibe zu den angreifenden Kolbenkräften gezeichnet. Die druckbeaufschlagten Kolben sind durch volle, schwarze Kreise gekennzeichnet. In Fig. 5a befindet sich der Kolben K1 im unteren Totpunkt (U. T.), und das zuge hörige Steuerventil ist für beide Strömungsrichtungen geschlossen, d. h. es kann weder Öl zu- noch abströmen.
Die Drehmomente aus den Kolbenkräften P.1, P5 und P6 in bezug auf den Drehzapfen überwiegen gegenüber den Kolbenkräften P2 und P3. Hierdurch bildet sich in Pfeilrichtung ein resultierendes Drehmoment M,1, das die Taumelscheibe zu verstellen versucht. Diesem Drehmoment wirkt aber eine theoretisch unendlich grosse Kraft P1 in Form der zwischen Kolben und geschlossenem Ventil eingespannten Ölsäule entgegen. Ma ist also nicht in der Lage, die Taumelscheibe zu verstellen.
In der Fig. 5b haben sich die Kolbenkräfte um den Winkel cp/4 gegenüber den Drehzapfen der Taumel scheibe weiterbewegt. In dieser Stellung herrscht sta tisches Gleichgewicht, da die ober- und unterhalb des Drehzapfens angreifenden Kräfte P1 bis P6 kein Dreh moment bilden.
In den Fig. 5c und d herrschen analoge Gleich gewichtsverhältnisse wie in den beschriebenen Stellun gen der Fig. 5a und b, d. h. auch hier ist eine Ver stellung der Taumelscheibe nicht möglich, und die ein mal eingestellte Schräglage der Taumelscheibe bleibt bei konstanten Drehzahlen erhalten. Lediglich zwischen den vier abgebildeten Stellungen herrscht theoretisch eine kleine Momentenungleichförmigkeit, die aber so gering ist, dass sie normalerweise durch das Reibmo ment der Drehzapfen ausgeglichen wird.
Ein Ausgleich wird ausserdem zusätzlich durch Drosselung des Öl- stromes vor den unteren und oberen Totpunkten der Kolben durch entsprechende Ausbildung der Ventile oder der Steuerscheibe erreicht.