Die Erfindung betrifft eine Schrägachsenverstelleinheit bzw. eine Axialkolbenma
schine in Schrägachsenbauweise nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Das allgemein bekannt Wirkungsprinzip derartiger Maschinen beruht auf der
Umwandlung eines Ölvolumenstroms in eine Drehbewegung.
Bei Axialkolbenmaschinen in Schrägachsenbauweise ist eine Kühleinrichtung von
besonderer Bedeutung, insbesondere dann, wenn höhere Leistungen übertragen
werden sollen. Eine unzureichende Kühlung beeinflußt die Lebensdauer nachtei
lig, da sich die Verschleißerscheinungen bei hohen Arbeitstemperaturen verstär
ken. Außerdem sind bei einer verbesserten Kühlung höhere Drehzahlen und grö
ßere maximale Außendurchmesser der Lager möglich. Denn diese Faktoren sind
für die Lebensdauer von Axialkolbenmaschinen von wesentlicher Bedeutung.
Es sind bereits Axialkolbenmaschinen in Schrägachsenbauweise bekannt, bei de
nen die Kühlung der Lager durch Öl erfolgt, welches sich im Gehäuse der Ma
schine befindet. Das Öl wird dabei durch einen Pumpeneffekt weiterbefördert, der
durch die Drehung der Rollenlagerung entsteht. Ein Nachteil dieser Lösung be
steht jedoch darin, dass im wesentlichen nur das Öl umgewälzt wird, das sich in
der näheren Umgebung der Lagerung befindet und bereits eine erhöhte Tempe
ratur aufweist. Außerdem wurden durch dieses Öl vorher schon andere Innenteile
der Maschine gekühlt, so dass die Viskosität bereits verringert ist. Denn eine er
höhte Öltemperatur führt zu einer Herabsetzung der Viskosität.
Eine Kühleinrichtung für eine Axialkolbenmaschine ist aus DE-A-196 49 195
bekannt, bei der das Arbeitsmedium von einem Niederdruckzweig des Hauptkrei
ses des Motors durch einen Kühlkanal geführt wird, der sich im Mittelteil des Zy
linderblocks und entlang der Rotationsachse der Welle erstreckt. Ein Nachteil
dieser Lösung besteht jedoch darin, dass das Öl auf seinem Weg zu den Lagern im
Mittelteil des Motors ebenfalls aufgeheizt wird. Außerdem ist durch diese Anord
nung eines Kühlkanals der Durchflussquerschnitt erheblich eingeschränkt, so dass
der Ölmengendurchfluss zur Kühlung stark reduziert ist.
Schließlich ist aus DE-A-198 29 060 eine Kühlung für eine Axialkolbenmaschi
ne bekannt, bei welcher das als Kühlmittel verwendete Öl direkt bei der Lagerung
eingeleitet wird. Das Kühlmittel gelangt dann durch die Lagerung hindurch in den
Gehäuseinnenraum, in dem sich die Zylindertrommel befindet. Hierbei verläuft
eine Zweigleitung von dem Kühlmittelstrom entlang der Rotationsachse der Welle
und anschließend durch den Mittelteil des Zylinderblocks. Diese Leitung ist je
doch nicht zur Kühlung vorgesehen, sondern lediglich zur Schmierung des Syn
chronisierungsgelenks.
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 Lebensdauer erhöht ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Schrägachsenverstelleinheit bzw. eine
Axialkolbenmaschine in Schrägachsenbauweise mit den Merkmalen gemäß Pa
tentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran
sprüchen beschrieben.
Durch die gefäßartige Form des Schwenkkörpers wird erreicht, dass der Kühlmit
telstrom kontrolliert an dem Zylinderblock vorbeigeführt wird. Der ein- oder
mehrteilig ausführbare Schwenkkörper kann dabei den Zylinderblock entweder
vollständig oder nur teilweise umgreifen und an seinem Boden, sowie an seinen
Seitenwänden Öffnungen aufweisen.
Die Aufteilung des Inneren des Gehäuses in einen Kühlmittelführungsraum und in
einen Ausgussraum verhindert eine frühzeitige Vermischung des Kühlmittels mit
einer niedrigen Temperatur mit dem bereits aufgeheizten Kühlmittel, wie dies z. B.
bei der in DE-A-198 29 060 beschriebenen Ausführung der Fall ist. Die Tempe
raturverteilung des Kühlmittels vom Eintrittskühlraum, über den Kühlmittelfüh
rungsraum bis zum Ausgussraum ist dadurch günstig beeinflußt und weitgehend
vorherbestimmt.
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 des Zylinderblocks und der Schrägachsenverstelleinheit
gemäß der Erfindung in der durch die Achse der Abtriebswelle definierten
Ebene, der den Verlauf des zentralen Kühlkanals und des Kühlmittelfüh
rungsraumes darstellt;
Fig. 2 einen Schnitt durch das Wechselventil und das Spüldruck-
Begrenzungsventil.
Fig. 3 einen Querschnitt des Schwenkkörpers senkrecht zu der Zeichenebene
gemäß Fig. 1;
Fig. 4 einen Schnitt entlang A-A gemäß Fig. 3; und
Fig. 5 einen Schnitt entlang B-B gemäß Fig. 3.
In Fig. 1 ist ein Gehäuse 4 der Einheit dargestellt, innerhalb dessen ein Schwenc
körper 5 gelagert ist. Innerhalb des Schwenkkörpers 5 befindet sich wiederum ein
Zylinderblock 10, der im Schwenkkörper 5 axial gelagert ist. Der Zylinderblock
10 steht mit einer Welle 1 über ein Synchronisierungsgelenk 13 in Verbindung.
Die Welle 1 ist mit Hilfe von Wälzlagern 2 und 3 in dem Gehäuse 4 gelagert, es
können jedoch auch Gleitlager vorgesehen werden. Die Welle 1 ist mit einer
Gruppe von Arbeitskolben 11 verbunden, die in Zylinderöffnungen 12 des Zylin
derblocks 10 verschiebbar gelagert sind.
Der Zylinderblock 10 ist mit Hilfe eines axialen Schwenkkörpers 5 im Gehäuse 4
schwenkbar gelagert. Die Lagerung des Schwenkkörpers 5 und die Zuleitung des
Öls in den Zylinderblock wird unten näher beschrieben.
Die Arbeitsflüssigkeit gelangt von einer Niederdrucklinie der Schrägachsenver
stelleinheit durch das Wechselventil 30 und das Spüldruck-Begrenzungsventil 31
über den Druckkanal 32 in einen Eintrittskühlraum 34. Die Funktion des Wech
selventils 30 und des Spüldruck-Begrenzungsventils 31 wird unten noch näher
erläutert.
Ein zentraler Kühlkanal 35 verbindet den Eintrittskühlraum 34 mit dem Ausguss
raum 36. Dieser zentrale Kühlkanal 35 verläuft zunächst durch die Welle 1, dann
durch das Synchronisierungsgelenk 13 und den Zylinderblock 10, und mündet
schließlich durch einen Austrittskanal 39 in den Ausgussraum 36 ein.
Ein Kühlmittelführungsraum 37 verbindet ebenfalls den Eintrittskühlraum 34 mit
dem Ausgussraum 36. Der Kühlmittelführungsraum 37 ist durch das Wälzlager 2,
das Gehäuse 4, den Schwenkkörper 5 und den Zylinderblock 10 begrenzt. Das Öl
gelangt von dem Eintrittskühlraum 34 durch die Wälzlager 2 und 3 in den Kühl
mittelführungsraum 37. Für diese Verbindung kann jedoch - vorzugsweise bei der
Verwendung von Gleitlagern - auch ein gesonderter Kanal entweder im Gehäuse 4
oder in der Welle 1 vorgesehen werden.
Der Schwenkkörper 5 hat die Form eines Gefäßes, dessen Kante 8 den Kühlmit
telführungsraum 37 vom Ausgussraum 36 des Gehäuses 4 trennt. Ein Teil des
Innenraums des Gehäuses 4 besteht aus Wänden, die sich aus Bogensegmenten 7
zusammensetzen, wobei sich diese Bogensegmente 7 in unmittelbarer Nähe der
Kanten 8 des Schwenkkörpers 5 befinden. In der Nähe des Bodens des Schwenk
körpers 5 befindet sich ein Austrittskanal 38, der den Kühlmittelführungsraum 37
mit dem Ausgussraum 36 verbindet.
Je besser die Abdichtung des Schwenkkörpers 5 gegenüber dem Gehäuse 4 ausge
staltet ist, desto effektiver ist die Kühlung der Wälzlager 2 und 3 und des Zylin
derblocks 10. Denn bei einer perfekten Abdichtung wird der gesamte Ölmassen
strom, der in den Kühlmittelführungsraum gelangt, direkt an dem Zylinderblock
10 vorbeigeführt, um erst durch den Austrittskanal 38 in den Ausgussraum 36 zu
gelangen. Außerdem findet eine kontrollierte Strömung von dem Eintrittskühl
raum 34 zum Ausgussraum 36 statt, wobei die Temperatur des als Kühlmittel
verwendeten Öls im Bereich der Wälzlager noch minimal ist. Eine Vermischung
mit bereits aufgeheizten Kühlmittel findet nicht statt. Es wird jedoch betont, dass
die Erfindung auch funktioniert, wenn keine Abdichtung zwischen dem Schwenk
körper 5 und dem Gehäuse 4 vorgesehen ist. In diesem Fall sollte jedoch der Spalt
zwischen diesen Bauteilen möglichst gering ausgestaltet sein, z. B. durch mög
lichst dichtes Positionieren der Kante 8 zu den Bogensegmenten 7 des Gehäuses
4.
Durch das oben beschriebene Vorsehen eines zentralen Kühlkanals 35 einerseits
und eines Kühlmittelführungsraumes 37 andererseits gelangt das Öl von dem
Eintrittskühlraum 34 damit auf zwei Wegen in den Ausgusskanal 36. Im Eintritts
kühlraum 34 teilt sich die Durchströmung im Verhältnis der hydraulischen Strö
mungswiderstände des zentralen Kühlkanals 35 und des Kühlmittelführungsrau
mes 37 in zwei Ölmassenströme. Hierbei ist jedoch auch ein eventueller Pumpeneffekt
der Lager zu berücksichtigen. Im Ausgussraum 36, in dem dasselbe
Druckniveau herrscht, vereinigen sich die beiden Ölmassenströme.
Auf dem Weg aus dem Eintrittskühlraum in den Ausgussraum entnimmt das
durchfließende Öl der Schrägachsenverstelleinheit die erzeugte Wärme. Das Öl
verlässt den Ausgussraum 36 durch die Öffnung 40 und fließt von dort vorzugs
weise zu einem Kühler weiter.
Die Ölversorgung der Maschine in einem einzigen Hydraulikkreis ist die bevor
zugte Ausführungsform. Es ist jedoch im Rahmen der Erfindung auch möglich,
zwei Hydraulikkreise vorzusehen, von denen der eine in der Maschine für die
Umwandlung in eine Drehbewegung vorgesehen ist, und von denen der andere
zur Kühlung der Maschine vorgesehen ist.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch das Wechselventil 30 und das Spüldruck-
Begrenzungsventil 31. Der Schieber innerhalb des Wechselventils 30 wird durch
seitlich, in der Fig. 2 also oben und unten anliegende Druckleitungen gesteuert.
Diese Druckleitungen stehen in Verbindung mit der Zu- bzw. Abflussleitung für
die Zylindertrommel. Bei einem Wechsel der Druckverhältnisse in diesen Leitun
gen ändert sich auch die gewünschte Drehrichtung der Axialkolbenmaschine. Bei
einem solchem Wechsel wird der Schieber innerhalb des Wechselventils 30 ver
schoben, so dass der Druckkanal 33 immer mit der jeweiligen Niederdrucklinie
der Axialkolbenmaschine verbunden ist.
Wie in Fig. 3 zu erkennen ist, ist der Schwenkkörper 5 in zwei symmetrische Zy
lindersegmente 51 und 52 unterteilt. Diese Zylindersegmente 51 und 52 bilden
eine fiktive zylindrische Ebene 53, die den Raum schneidet, in dem die Arbeits
kolben 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 Durchflusskammern
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 je nach Drehrichtung
der Welle zu- bzw. abgeleitet.
Im Bereich dieser Durchflusskammem 54a, 54b, 54a' und 54b' liegt folglich die
Ebene der hydrostatischen Gleitlagerung für den Schwenkkörper 5, die mit der
fiktiven Zylinderebene 53 übereinstimmt.
Fig. 4 gibt eine Schnittdarstellung entlang A-A gemäß Fig. 3, 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 Durchflusskammem 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 Aus
gleichs 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 Durchflusskammem 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 er
möglicht, eine ausreichende Durchflussbreite der Durchflusskammern 54a und
54b bereitzustellen. Gleichzeitig wird es hierdurch möglich, den Schwenkkörper 5
in dem stationären Teil des Gehäuses 4 in der Nähe der Trennungsebene 45 des
Gehäuses 4 zu lagern. Auf diese Weise lassen sich die Vibrationen des Gehäuses
4 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. 5 zeigt einen Schnitt entlang B-B gemäß Fig. 3, 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 Ver
bindung steht. Im Boden 6 des Schwenkkörpers 5 ist der kreisförmige Segment
kanal 57b angeordnet. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist der nicht
stationäre Überführungskanal 56b, der den Segmentkanal 57b mit der Durchfluss
kammer 54b verbindet, durch zwei parallel verlaufende Kanäle ausgestaltet.
Bezugszeichenliste
1
Abtriebswelle
2
erstes Wälzlager
3
zweites Wälzlager
4
Gehäuse
5
Schwenkkörper
6
Boden des Schwenkkörpers
7
bogensegmentartige Innenflächen
8
Kante
10
Zylinderblock
11
Arbeitskolben
12
Zylinderöffnungen im Zylinderblock
13
Synchronisierungsgelenk
14
Zapfen
21
Stirnseite des ersten Wälzlagers
30
Wechselventil
31
Spüldruck-Begrenzungsventil
32
Kanal
33
Druckkanal
34
Eintrittskühlraum
35
zentraler Kühlkanal
36
Ausgussraum
37
Kühlmittelführungsraum
38
erster Austrittskanal
39
zweiter Austrittskanal
40
Öffnung
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