DE10044782C1 - Verstelleinrichtung für eine Axialkolbenmaschine in Schrägachsenbauweise - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schrägachsenverstelleinheit aus einer in einem Gehäuse (4) der Einheit gelagerten Antriebswelle (1) und aus einem Zylinderblock (10), die über ein Synchronisierungsgelenk (13) und über in dem Zylinderblock (10) axial verschiebbare Arbeitskolben (11) verbunden sind, wobei der Zylinderblock (10) in einem gegenüber der Achse der Antriebswelle (1) schwenkbaren Schwenkkörper (5) axial gelagert ist, der zwei symmetrische Zylindersegmente (51, 52) aufweist, die in einander gegenüberliegenden konkaven zylindrischen Aushöhlungen (41, 42) der Innenfläche des Gehäuses (4) hydrostatisch gleitend gelagert sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schrägachsenverstellmotor und eine Schrägachsen­ verstellpumpe bzw. eine Axialkolbenmaschine in Schrägachsenbauweise nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Das allgemein bekannte Wirkungsprinzip derartiger Maschinen beruht auf der Umwandlung eines Ölvolumenstroms in eine Drehbewegung.

Aus dem Stand der Technik ist eine Axialkolbenmaschine bekannt, bei der ein gegenüber der Achse der Abtriebswelle geschwenkter Zylinderblock auf einem verstellbaren Ventilsegment angeordnet ist. Durch dieses Ventilsegment wird das Hydrauliköl als Arbeitsflüssigkeit von dem Zylinderblock in das stationäre End­ gehäuse des Motors geleitet. Dieser Lösung wohnt der Nachteil inne, dass auf­ grund der konstruktiven Ausgestaltung die Durchflussquerschnitte zwischen dem verstellbaren Ventilsegment und dem Endgehäuse nicht groß genug ausgebildet sein können, was im folgenden dann mit entsprechenden Energieverlusten bei höheren Durchflussvolumina der strömenden Arbeitsflüssigkeit einhergeht. Bei dieser aus dem Stand der Technik bekannten Lösung tritt die angesprochene Ein­ schränkung der Durchflussquerschnitte auch bei einem maximalen Schwenkwin­ kel der Achse des Zylinderblocks gegenüber der Achse der Abtriebswelle negativ in Erscheinung. Grundsätzlich erhöht sich diese Einschränkung mit einem sich vergrößernden Schwenkwinkel. Ein weiterer Nachteil derartiger Kolbenmaschi­ nen liegt darin, dass der Maximalwert des Schwenkwinkels nicht ohne weiteres gesteigert werden kann, da dies zu erhöhten Anforderungen an die Dimensionen und die Konstruktion einer solchen Kolbenmaschine führt, was ab bestimmten Bereichen in technischer und wirtschaftlicher Hinsicht nicht mehr akzeptabel ist.

Im Rahmen einer weiteren aus dem Stand der Technik bekannten Lösung solcher Axialkolbenmaschinen ist der Zylinderblock in einem Schwenkkörper gelagert, der wiederum an zwei Zapfen über radiale Wälzlager in dem Gehäuse gelagert ist. Diese Zapfen weisen Kanäle auf, die diese durchdringen und durch die das Hy­ drauliköl von dem Schwenkkörper in den stationären Teil des Gehäuses entweder in axialer Richtung oder in radialer Richtung um den gesamten Umfang der Zap­ fen herum fließen kann. Ein solcher Schrägachsenverstellmotor benötigt erhöhte Einbaudimensionen gerade im Bereich der Lagerung des Schwenkkörpers und in dem Bereich der Verteilung der Arbeitsflüssigkeit. Darüber hinaus ist sein prakti­ scher Einsatz durch das Gewicht und den erhöhten Materialverbrauch einge­ schränkt.

Aus der Druckschrift DE 198 33 711 A1 ist des weiteren eine Lösung für eine Schrägachsenverstellmotor bekannt, bei dem eine bewegliche Zwischenplatte zwischen einem Ventilsegment und dem funktionell verbundenen stationären Teil des Motorgehäuses angeordnet ist. Die Lage dieser Zwischenplatte wird relativ zu dem Ventilsegment und zu dem stationären Teil des Motorgehäuses über einen Mechanismus synchronisiert, der drei Zapfen aufweist und an beiden Seiten dieses Ventilsegments gelagert ist. Bei kleiner angesetzten Werten des maximal mögli­ chen Schwenkwinkels des Zylinderblocks vermag diese Ausgestaltung einer Axialkolbenmaschine die Nachteile aus dem vorhergehenden erwähnten Stand der Technik teilweise auszuräumen. Damit geht aber gleichzeitig eine nicht er­ wünschte Erhöhung der Fertigungskosten, des Gewichts und des Konstruktions­ aufwand einer solchen Kolbenmaschine einher.

Ausgehend von den aus dem Stand der Technik bekannten Nachteilen liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schrägachsenverstelleinheit bzw. eine Axialkolbenmaschine in Schrägachsenbauweise bereitzustellen, bei der die Lagerung des Schwenkkörpers die Übergabe bzw. Einleitung der Arbeitsflüs­ sigkeit in weitaus höheren Schwenkwinkelbereichen nicht einschränkt oder sogar verhindert.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Schrägachsenverstelleinheit mit den Merk­ malen gemäß Patentanspruchs 1.

Das durch die Erfindung verwirklichte wesentliche Prinzip beruht somit auf einer hydrostatischen Gleitlagerung des Schwenkkörpers innerhalb des Gehäuses der Einheit, wobei auf zusätzliche Lagerkomponenten, wie Zapfen, Wälzlager oder dergleichen, vollständig verzichtet wird.

Der Schwenkkörper ist in zwei entsprechende symmetrische Zylindersegmente unterteilt, die zu beiden Seiten der Rotationsachse des Zylinderblocks, der in dem Schwenkkörper axial gelagert ist, angeordnet sind. In ihren dem Gehäuse zuge­ wandten Flächen sind diese Zylindersegmente in entsprechenden Ausnehmungen bzw. schalenartigen Aushöhlungen in der Innenfläche des Gehäuses gelagert. Zwischen den Aushöhlungen und den Lagerflächen der symmetrischen Zylinder­ segmente befindet sich zum Aufbau der hydrostatischen Gleitlagerung eine ent­ sprechende Ölschicht.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Schrägachsenverstelleinheit gemäß der Erfindung sind die Aushöhlungen in der Innenfläche des Gehäuses an einer sol­ chen Stelle angeordnet, bei der eine fiktive Zylinderebene, die durch die äußeren Zylinderflächen der sich gegenüberliegenden Zylindersegmente gemeinsam defi­ niert wird, den in dem Schwenkkörper axial gelagerten Zylinderblock in einer Ebene schneidet, die knapp unterhalb der Stirnseite des Zylinderblocks, die der Abtriebswelle zugewandt ist, und in dem Bereich der Lagerung der Arbeitskolben in diesem Zylinderblock liegt.

Jedes Zylindersegment weist in seinem zylindrischen Teil eine Durchflußkammer sowie eine Ausgleichskammer auf, die von Dichtungskanten bzw. Dichtungsfel­ dern umgeben sind. Entsprechende Durchflußkammern münden in die die Lage­ rung bildenden Aushöhlungen. Im Bereich der erfindungsgemäßen Lagerung ste­ hen die Durchflußkammern der Aushöhlungen mit den Durchflußkammern der Zylindersegmente in Verbindung. Auf diese Art und Weise ist gewährleistet, daß eine Übergabe bzw. Einleitung des Hydrauliköls als Arbeitsflüssigkeit im Bereich der Lagerung erfolgt, wobei dann die Arbeitsflüssigkeit gleichzeitig als hydrosta­ tische Gleitflüssigkeit dient.

In dem Gehäuse sind stationäre Überführungskanäle angeordnet, die in die ent­ sprechenden Durchflußkammern der konkaven zylindrischen Aushöhlungen mün­ den.

In entsprechender Weise stehen die Durchflußkammern der Zylindersegmente mit nicht-stationären Überführungskanälen in Verbindung. In dem Boden des Schwenkkörpers sind kreisförmige Segmentkanäle angeordnet, in die die nicht­ stationären Überführungskanäle auf der diesen entsprechend zugeordneten Seite einmünden.

Jede Ausgleichskammer kann über einen entsprechenden Verbindungskanal ent­ weder mit einem nicht-stationären Überführungskanal oder mit einem kreisförmi­ gen Segmentkanal verbunden sein, der sich, relativ zur Rotationsachse des Zylin­ derblocks gesehen, auf der entgegengesetzten Seite wie das entsprechende Zylin­ dersegment befindet.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Schrägachsenverstelleinheit gemäß der Erfindung sind diese nicht-stationären Überführungskanäle aus jeweils zwei Ka­ nälen ausgebildet, die im wesentlichen parallel zueinander verlaufen.

Der Boden des Schwenkkörpers weist in der Ebene, die durch die Rotationsachse des Zylinderblocks einerseits und durch die Achse der Abtriebswelle andererseits aufgespannt wird, vorzugsweise einen trapezförmigen Querschnitt auf.

Die Abtriebswelle dieser erfindungsgemäßen Schrägachsenverstelleinheit ist in dem Gehäuse mit einem ersten Wälzlager und einem zweiten Wälzlager gelagert, wobei sich das erste Wälzlager in der dem Schwenkkörper zugewandten Seite befindet. Gemäß der Erfindung liegt hierbei die Stirnebene des Außenrings des ersten Wälzlagers in einer Trennungsebene des zweiteilig ausgestalteten Gehäu­ ses.

Es wird deutlich, daß die Schrägachsenverstelleinheit gemäß der Erfindung sich durch erheblich reduzierte Einbaudimensionen sowohl in der Längsrichtung der Abtriebswelle als auch in einer Querrichtung hierzu auszeichnet. In Folge der spe­ ziellen konstruktiven Ausgestaltung der sich überlappenden Durchflußkammern sind die Durchflußquerschnitte zwischen den nicht-stationären Überführungska­ nälen innerhalb des Schwenkkörpers und den stationären Überführungskanälen innerhalb des Gehäuses bei jedem Schwenkwinkel des Schwenkkörpers stets groß genug, um die Reduzierung der Durchflußgeschwindigkeit und dadurch die Ener­ gieverluste bei der Leistungsübertragung gering zu halten. Durch die spezielle Ausgestaltung gemäß der Erfindung kann bis zu einem maximalen Wert eines Schwenkwinkels bis 45° die Übergabe der für die Leistung erforderlichen Menge an Arbeitsflüssigkeit bereitgestellt werden.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung beruht auf der Tatsache, daß durch die entspre­ chende Aufteilung des Schwenkkörpers in zwei Zylindersegmente und deren Po­ sitionierung die Übertragung von Vibrationen von dem Schwenkkörper in den stationären Teil des Gehäuses erheblich reduziert wird, was die Übertragung des Körperschalls von dem Gehäuse in die Umgebung sogar bei einem verringerten Gewicht des Gehäuses niedrig hält.

Durch die entsprechende Wahl und Positionierung der Trennungsebene für eine zweiteilige Ausgestaltung des Gehäuses entsprechend der Erfindung wird ein gu­ ter Zugang für das Fertigungswerkzeug, das der Fertigung der konkaven zylindri­ schen Aushöhlungen in der Innenfläche des Gehäuses dient, sowie eine effektive axiale Positionierung der Welle relativ zu dem Gehäuse ermöglicht.

Weitere Vorteile und Merkmale der Schrägachsenverstelleinheit gemäß der vor­ liegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung des im Zusammenhang mit der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt der Schrägachsenverstelleinheit gemäß der Erfindung in der durch die Achse der Abtriebswelle definierten Ebene, der die Lagerung des Schwenkkörpers in dem Gehäuse sowie den Verlauf der Überfüh­ rungskanäle darstellt;

Fig. 2 einen Schnitt entlang A-A gemäß Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt entlang B-B gemäß Fig. 1 des Schwenkkörpers und von Teilen des Gehäuses in dem Bereich der erfindungsgemäßen Lagerung; und

Fig. 4 einen Schnitt entlang C-C gemäß Fig. 1.

In Fig. 1 ist ein Gehäuse 4 der Einheit dargestellt, innerhalb dessen ein Schwenk­ körper 5 gelagert ist. Innerhalb dieses Schwenkkörpers 5 befindet sich wiederum ein Zylinderblock 10 axial gelagert. Der Zylinderblock 10 steht mit einer Ab­ triebswelle 1 über ein Synchronisierungsgelenk 13 in Verbindung.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, die einen Schnitt entlang A-A gemäß Fig. 1 wieder­ gibt, ist die Abtriebswelle 1 mit einem ersten Wälzlager 2 und einem zweiten Wälzlager 3 in dem Gehäuse 4 gelagert.

In dieser Ansicht ist außerdem zu erkennen, dass ein Arbeitskolben 11, der mit der Abtriebswelle 1 in Verbindung steht, in einer Zylinderöffnung 12, des Zylin­ derblocks 10, verschiebbar gelagert ist.

Der Schwenkkörper 5 ist um einen Schwenkwinkel β zur Achse der Abtriebswelle 1 geneigt. In dieser Darstellung beträgt dieser Winkel β = 45°.

Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, ist der Schwenkkörper 5 in zwei symmetrische Zy­ lindersegmente 51 und 52 unterteilt. Diese Zylindersegmente 51 und 52 bilden eine fiktive gemeinsame Zylinderebene 53, die den Raum schneidet, in dem die Arbeitskolben 11 und der Zylinderblock 10 gelagert sind.

Es ist zu erkennen, dass in den jeweiligen Zylindersegmenten nicht-stationäre Überführungskanäle 56a und 56b angeordnet sind, deren oberes Ende in Durch­ flusskammern 54a' und 54b' münden. Diese Durchflusskammern 54a' und 54b' überdecken sich mit Durchflusskammern 54a und 54b in dem Gehäuse 4, die wie­ derum mit stationären Überführungskanälen 44a und 44b in Verbindung stehen. Über diese Kanäle 44a und 44b wird die Arbeitsflüssigkeit zugeleitet.

Im Bereich dieser Durchflusskammern 54a, 54b, 54a' und 54b' liegt folglich die Ebene der hydrostatischen Gleitlagerung für den Schwenkkörper 5, die mit der fiktiven Zylinderebene 53 übereinstimmt.

Fig. 3 gibt eine Schnittdarstellung entlang B-B gemäß Fig. 1, d. h. entlang der Zy­ linderebene 53, wieder. In dieser Ansicht sind die entsprechenden Öffnungen der nicht-stationären Überführungskanäle 56a und 56b, die Öffnungen der stationären Überführungskanäle 44a und 44b sowie die Durchflusskammern 54a und 54b zu erkennen. Diese Durchflusskammern 54a und 54b erstrecken sich quer zu den Öffnungen der jeweiligen Überführungskanäle über die nahezu gesamte Länge der Zylindersegmente 51 und 52. Zum Zweck eines möglichst vorteilhaften Ausgleichs der auf den Schwenkkörper 5 wirkenden Kräfte sind die Zylindersegmente 51 und 52 mit entsprechenden Ausgleichskammern 55a und 55b versehen. Die Ausgleichskammern 55a und 55b, ebenso wie die Durchflußkammern 54a bzw. 54b sind von entsprechenden Dichtungsfeldern 541a und 541b umgeben. Die Ausgleichskammer 55a steht hierbei gemäß der Erfindung über einen Verbin­ dungskanal 58a mit dem kreisförmigen Segmentkanal 57b in Verbindung, wäh­ rend die Ausgleichskammer 55b über einen entsprechenden Verbindungskanal 58b mit dem kreisförmigen Segmentkanal 57a verbunden ist.

Diesen Ausgleichskammern 55a bzw. 55b wird dann das Drucksignal über die Verbindungskanäle 58a bzw. 58b von den nicht-stationären Überführungskanälen 56b bzw. 56a der entgegengesetzten Seite des Schwenkkörpers 5 zugeführt.

Da der Durchmesser der Zylindersegmente 51 bzw. 52 bei der Ausführung ent­ sprechend der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu den jeweiligen Ausfüh­ rungen aus dem Stand der Technik wesentlich kleiner ist, ist auch die Länge der­ jenigen Strecke kürzer, die jeder Punkt der fiktiven zylindrischen Ebene 53 beim Verstellen des Schwenkkörpers 5 zurücklegen muß. Dadurch wird es stets ermög­ licht, eine ausreichende Durchflußbreite der Durchflußkammern 54a und 54b be­ reitzustellen. Gleichzeitig wird es hierdurch möglich, den Schwenkkörper 5 in dem stationären Teil des Gehäuses 4 in der Nähe der Trennungsebene 45 des Ge­ häuses 4 zu lagern. Auf diese Weise lassen sich die Vibrationen des Gehäuses erheblich vermindern, die wegen der zyklischen Belastung des Schwenkkörpers 5 auftreten. Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, liegt die Stirnseite 21 des Wälzlagers 2 deshalb in der Trennungsebene 45 des Gehäuses 4.

Fig. 4 zeigt einen Schnitt entlang C-C gemäß Fig. 1, d. h. einen Schnitt durch das linksseitige Zylindersegment 52 und den entsprechenden Abschnitt des Gehäuses 4. Dieses weist den stationären Überführungskanal 44b auf, der dann in die Durchflußkammer 54b mündet. Das Zylindersegment 52 ist in der Aushöhlung 42 hydrostatisch gleitend gelagert, während das gegenüberliegende Ende über axial verschiebbare Zapfen 14 mit dem stationären Teil des Gehäuses 4 in Verbindung steht. Im Boden 6 des Schwenkkörpers 5 ist der kreisförmige Segmentkanal 57b angeordnet. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist der nicht-stationäre Überführungskanal 56b, der den Segmentkanal 57b mit der Durchflußkammer 54b verbindet, durch zwei parallel verlaufende Kanäle ausgestaltet.

Die spezielle Ausgestaltung der Schrägachsenverstelleinheit gemäß der Erfindung läßt sich insbesondere in geschlossenen Hydraulikkreisen sowie bei großen Um­ fängen der Änderung des geometrischen Hubvolumens (Wandlungsverhältnis) bei einem Schwenkwinkel von bis zu β = 45° vorteilhaft zum Einsatz bringen. Eine weitere vorteilhafte Verwendung liegt bei Pumpen, die keine Bewegungsumkehr des Durchflusses erfordern, wie es beispielsweise bei Pumpen für offene Hydrau­ likkreise der Fall ist.

Bezugszeichenliste

1

Abtriebswelle

2

erstes Wälzlager

3

zweites Wälzlager

4

Gehäuse der Einheit

5

Schwenkkörper

6

Boden des Schwenkkörpers

10

Zylinderblock

11

Arbeitskolben

12

Zylinderöffnungen im Zylinderblock

13

Synchronisierungsgelenk

14

Zapfen

21

Stirnseite des ersten Wälzlagers

41

,

42

Aushöhlungen

44

a,

44

b stationäre Überführungskanäle

45

Trennebene des Gehäuses

51

,

52

Zylindersegmente

53

fiktive Zylinderebene

54

a,

54

b Durchflußkammern im Gehäuse

54

a',

54

b' Durchflußkammern im Schwenkkörper

55

a,

55

b Ausgleichskammern

56

a,

56

b nicht-stationäre Überführungskanäle

57

a,

57

b kreisförmige Segmentkanäle

58

a,

58

b Verbindungskanäle

541

a,

541

b Dichtungsfelder
β Schwenkwinkel

Claims (11)

1. Verstelleinrichtung für eine Axialkolbenmaschine in Schrägachsenbauweise mit einer in einem Gehäuse gelagerten Ab­ triebswelle und mit einem Zylinderblock, die über ein Synchronisierungs­ gelenk und über in dem Zylinderblock axial verschiebbare Arbeitskolben verbunden sind, wobei der Zylinderblock in einem gegenüber der Achse der Abtriebswelle schwenkbaren Schwenkkörper axial gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwenkkörper (5) zwei symmetrische Zylindersegmente (51, 52) aufweist, die in einander gegenüberliegenden konkaven zylindrischen Aushöhlungen (41, 42) der Innenfläche des Gehäuses (4) hydrostatisch gleitend gelagert sind.

2. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aushöhlungen (41, 42) in der Innenfläche des Gehäuses (4) so an­ geordnet sind, daß eine durch die Zylinderflächen der sich gegenüberlie­ genden Zylindersegmente (51, 52) definierte fiktive gemeinsame Zylin­ derebene (53) den Zylinderblock (10) unterhalb dessen zu der Abtriebs­ welle (1) zugewandten Stirnseite in dem Bereich der Lagerung der Ar­ beitskolben (11) schneidet.

3. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Aushöhlungen (41, 42) Durchflusskammern (54a, 54b) und Dichtungsfelder (541a, 541b) aufweisen.

4. Verstelleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflusskammern (54a, 54b) mit in dem Gehäuse (4) angeord­ neten stationären Überführungskanälen (44a, 44b) verbunden sind.

5. Verstelleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylindersegmente (51, 52) jeweils Durchflusskammern (54a', 54b') aufweisen, die mit den Durchflusskammern (54a, 54b) in den Aus­ höhlungen (41, 42) zum Überlappen kommen.

6. Verstelleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylindersegmente (51, 52) Ausgleichskammern (55a, 55b) aufwei­ sen.

7. Verstelleinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in dem Boden (6) des Schwenkkörpers (5) kreisförmige Segmentkanäle (57a, 57b) angeordnet sind.

8. Verstelleinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Zylindersegmenten (51, 52) angeordneten Durchflusskammern (54a', 54b') über nicht-stationäre Überfüh­ rungskanäle (56a, 56b) mit den entsprechenden auf der diesen zugeordne­ ten Seite liegenden Segmentkanälen (57a, 57b) verbunden sind.

9. Verstelleinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichskammern (55a, 55b) jeweils über einen Verbindungs­ kanal (58a, 58b) mit den nicht-stationären Überführungskanälen (56a, 56b) oder den kreisförmigen Segmentkanälen (57a, 57b) der den Ausgleichs­ kammern (55a, 55b) gegenüberliegenden Seite verbunden sind.

10. Verstelleinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht-stationären Überführungskanäle (56a, 56b) jeweils aus zwei im wesentlichen parallelen Kanälen bestehen.

11. Verstelleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (6) des Schwenkkörpers (5) in der durch die Rotationsachse des Zylinderblocks (10) und durch die Achse der Abtriebswelle (1) gebildeten Ebene einen trapezförmigen Querschnitt aufweist.