DE1017468B

DE1017468B - Axialkolbenmaschine

Info

Publication number: DE1017468B
Application number: DEW10437A
Authority: DE
Inventors: Georg Wiggermann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1953-01-24
Filing date: 1953-01-24
Publication date: 1957-10-10
Also published as: CH326297A; GB751231A; FR1097653A; DE1030684B

Description

Axialkolbenmaschine Die Erfindung bezieht sich auf eine AxiaJkolbenmaschine, welche beispielsweise als Pumpe oder als Motor bei hydrostatischen Getrieben, hydraulischen Pressen usw. Anwendung finden kann.
Im engeren Sinne handelt es sich um eine Anordnung, bei welcher eine: im Gehäuse ortsfest gelagerte Triebscheibe mit der Antriebswelle drehfest verbunden ist und wobei die, Kolben über Kugelgelenke an. der Triebscheibe angelenkt sind. Die Zylindertrommel ist an einem Steuerspiege;lkörper drehbar gelagert, dessen dem Steuerspiegel abgekehrte Rückseite als zylinderförmige konvexe Lagerfläche ausgebildet ist, die sich an einer entsprechend geformten Führungsfläche des Gehäuses abstützt und. die zur Hubverstellung notwendige Schwenkbewegung ermöglicht.
Bei den bekanntgewordenen derartigen Axialkolbenmaschinen erfolgt die Zu- und Ableitung des Arbeitsmittels (Öl) über U-förmige Führungsbügel, die mit im Gehäuse gelagerten Zapfen verbunden sind und bei unbelastetem Zustand der Maschine den Steuerspiegelkörper in Anlage an seiner zylinderförmigen. Führungsfläche halten sollen. Über diese Bügel wird, dabei auch die, Schwenkung des Ste:uerspiegelkörpers zur Hubverstellung vorgenommen.
Durch die genannte, Art der Abstützung der Kolbenkräfte über eine zylindrische Führungsfläche am Gehäuse - wobei also die U-Bügel keine Stützaufgaben mehr haben - lassen sich bekanntlich bezüglich Baugröße des Gehäuses und Geräuschbildung im Betrieb Verbesserungen erzielen. Trotzdem weisen aber diese Ausführungen noch folgende Nachteile. auf: Es ist bei hohen Förderdrücken sehr schwierig, die Lagerung der Führungszapfen des U-Bügels mit einfachen Mitteln so. zu gestalten, da.ß die Leckverluste des sie durchströmenden Arbeitsmittels (Öl) in brauchbaren Grenzen bleiben. Die langen. Strömungswege in den Schenkeln des U-Bügels, deren Querschnitt eng ist und deren Verlauf einige unumgängliche scharfe Richtungsänderungen aufweist, verursachen einen erheblichen Strömungswiderstand, der sich vor allem auf der Saugseite nachteilig auswirkt.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, diese Mängel zu beheben und darüber hinaus weitere Verbesserungen bezüglich der Funktion und Gestaltung von Axialkolbenmaschinen der genannten Art zu erreichen.
Zu diesem Zweck ist erfindungsgemäß der Steuerspiegelkörper mit Kanälen versehen, die durch die Führungsflächen hindurch mit zugeordneten Kanälen im Gehäuse in unmittelbarer Verbindung stehen. Vorteilhafterweise weisen dabei die 1vIiindungen der Kanäle des Steuerspiegelkörpers im Bereich seiner zylinderförmigen Führungsfläche einen so großen Querschnitt auf, daß sie die Mündungen der zugeordneten Anschlußkanäle im Gehäuse bei jeder Schwenklage vollständig überdecken.
Durch die erfindungsgemäße Bauweise ist erreicht, daß nunmehr die Durchleitung des Arbeitsmittels zu den Anschlüssen auf kürzestem Weg sowie ohne besondere Dichtmittel, bei großem Leltungsquerschnitt möglich ist.
Die Dichtheit der Trennstellen der Kanäle im Bereich der Gleitfläche zwischen Steuerspieglkörper und Gehäuse ist auch bei hohen Förderdrücken gut und dauernd gewährleistet, weil die. Ab,stützkräfte der Kolben die Dichtflächen stets proportional dem Förderdruck aneinander pressen.
Da die Größe der für eine Verschwenkung des Ste:uerspiegelkörpers notwendigen Kraft mit dem Anpreßdruck zunimmt, wird. vorgeschlagen, die zylindrische Führungsfläche- von den sie belastenden Abstützkräften der Kolben so, weit hydraulisch zu entlasten, daß die jeweils notwendige Verstellkraft zur Ausführung der Schwenkbewegung auf das gewünschte Maß verkleinert ist.
Zur gut abdichtenden Führung des Steuerspiegelkörpers im Gehäuse muß die vom Druck des Arbeitsmittels beaufschlagte Druckfläche genau begrenzt werden. Zu diesem Zweck ist erfindungsgemäß die Führungsfläche mit Nuten durchzogen, welche mit dem Gehäuseinnern in Verbindung stehen und wobei die Ölkanäle von zusammenhängenden schmalen und am Gehäuse anliegenden Dichtflächen eingerahmt bleiben.
Außerdem ist nach der Erfindung der Scheitel der konvexen Gleitfläche des = Steuerspiegelkörpers mit Abflachungen versehen, von.denen nur die die Mündungen der Ölkanäle umgebenden Dichtflächen ausgenommen sind. Der Zweck dieser Abflachung ist es zu verhindern, daß nach längerer Betriebszeit und wiederholter Hubverstellung der Kolben die dichte Anlage der die Mündungen umgebenden Dichtflächen gefährdet wird.
Durch die genannten Abflachungen wird nämlich dafür gesorgt, daß derjenige Teil der Führungsflächen fehlt, bei welchem. die Tangenten. an den Krümmungsradius der Führungsbahn mit der Wirklinie der resultierenden Kolbenkraft Winkel bilden, die kleiner als der geltende- Reibungswinkel sind.. Hierdurch wird jede Abwälztendenz des Steuerspiegelkörpers auf seiner Führungsbahn vermieden.
Um die Anlage des Steuersp,iegelkörpers am Gehäuse auch dann zu gewährleisten, wenn die Zylindertrommel ohne Druckbelastung läuft, ist nach. der Erfindung der Steuerspiegelkörper über Führungsborde und exzentrisch nachstellbar am Gehäuse gelagerte Rollen in Anlage gehalten.
Da durch die, hydraulische Entlastung der Führungsflächen der Steuerspiegelkörper nur mit geringer Anlagekraft gegen seine Führungsfläche am Gehäuse gepreßt wird, ist es notwendig, die: Einrichtung zur Verstellung der Schwenklage so, zu gestalten, daß die zwischen Steuerspiegelkörper und Führungsfläche am Gehäuse bestehenden Kräfteverhältnisse beim Verschwenken möglichst wenig gestört werden. Daraus ergibt sich als wichtigste Bedingung, daß aus den reinen Verstellkräften möglichst geringe Nebenkräfte im Steuerspiegelkörper entstehen. In diesem Sinne ist es vorteilhaft, wenn die Wirkungslinie der Verstellkraft die Trommelachse, bei jeder Schwenklage schneidet. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mittels einer Verstellstan:ge gelöst, die tangential zur Führungsbahn des Steuerspiegelkörpers in, einer Gehäusebohrung axial verschiebbar geführt und mit einer Querbohrung versehen ist, in die ein an sich bekannterKugelzapf en formschlüssig eingreift. Dieser ist in der Verlängerung der Zylindertromnlelachse! am Steuerspiegelkörper befestigt.
Um die Umfangsgeschwindigkeit der Zylindertrommel an den Steueröffnungen klein. zu halten und dadurch eine hohe Drehzahl der Pumpe bei geringen hydraulischen. Verlusten zu ermöglichen, sind die zum Steuerspiegel führenden Kanäle der einzelnen Zylinder sich der Zylindertrommelachse nähernd ausgeführt. Diese Maßnahme erfordert aber eine- besondere Aushildung der am Steuerspiegel anliegenden Stirnfläche der Zylindertrommel. Zu einer guten Anlage der Gleitflächen ist es nämlich notwendig, daß der resultierende Gesamtschwerpunkt aller mit dem jeweiligen Druckschlitz im Steuerspiegel in Verbindung stehenden Zylinderquerschnittsflächen mit dem Flächenschwerpunkt dieses kreisförmigen Druckschlitzes möglichst zusammenfällt, um keine Kippmomente an der Zylindertrommel entstehen zu lassen. Leider ist dies aber bei den auf einen verkleinerten Teilkreisdurchmesser zusammengezogenen Steueröffnungen der Zylinder nicht der Fall. Damit die oben. beschriebenen Vorteile auch bei der erfindungsgemäßen, Axialkolbenmaschine ausgenutzt werden können., sind nach der Erfindung an der Zylindertrommel einzelne Entlastungsnuten angeordnet, die über Bohrungen mit den Zylindern verbunden sind und deren Flächenschwerpunkte auf einem Kreis liegen, der größer als der Zylinderteilkreis ist. Zum Zweck der Verhinderung einer un,-kontrollierbaren Ausbreitung und Wirkung des Öldruckes sind nach der Erfindung die Entlastungsnuten von schmalen, am Steuerspiegel anliegenden Dichtflächen eingerahmt und die dazwischenliegenden Vertiefungen zur Ableitung des Lecköls über Bohrungen. im Steue-rspiegelkörper mit dem Gehäuseraum verbunden. Dadurch werden die kreisringförmigen Vertiefungen druckfrei gehalten.
Die neuartige Ausbildung der Axialkolbenmaschine nach vorliegender Erfindung beseitigt die Nachteile der bekannten Ausführungen. Die einfache Leitungsführung des Arbeitsmittels in Verbindung mit der auch nach langer Betriebszeit noch vorhandenen Dichtheit der Strömungskanäle an den aufeinander gleitenden Flächen und dem geringen. Durchmesser der Ringkanäle am Steuerspiegel ergibt einen hohen. hydraulischen Wirkungsgrad und hält die Erwärmung des zu fördernden Mediums in mäßigen Grenzen. Dazu kommt, daß durch die kurzen und im Querschnitt große. Strömungskanäle die Pumpe auch bei höherer Drehzahl und größerem Schwenkwinkel frei, d. h. ohne Vordruck, ansangt.
Ein weiterer Vorteil zeigt sich, wenn zwei nach vorliegender Erfindung ausgebildete Axialkolbenma.schinen. zu einem stufenlos regelbaren hydraulischen Getriebe zusammengefaßt werden. Man kann in diesem Fall den Pumpen- und den Motorteil gleich ausbilden und zwischen die beiden Gehäuse einen beiden Triebwerken gemeinsamen Deckel anordnen, der dann auf beiden Seiten je eine zur Aufnahme des schwenkbaren Steuerspiegelkörpers bestimmte Führungsmulde aufweist. Die Kanäle im Deckel für das Arbeitsmittel stellen dann die kürzeste hydraulische Verbindung des Pumpenteiles mit dem Motorteil dar. Durch den guten Wirkungsgrad der Einzeltriebwerke hat auch das aus ihnen zusammengestellte Getriebe einen entsprechend höheren Wirkungsgrad.
In den Zeichnungen, ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Es zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine komplette Axia,lkolbemnaschine, Fig. 2 die eine Hälfte des Gehäusedeckels, von innen her in Achsrichtung gesehen, Fig. 3 den Schnitt A-B des Steuerspiegelkörpers, nach Fig. 4, Fig. 4 die eine Hälfte des Steuerspiegelkörpers in Ansicht vom Gehäusedeckel her mit Draufsicht auf die am Steuerspiegel anliegende Stirnseite der Zylindertromm'el, Fig. 5 eine Seitenansicht des Steuerspiegelkörpers, Fig.6 einen Mittelschnitt des Gehäusedeckels quer zur Schwenkrichtung einschließlich Steuerspiegelkörper, Verstellstange und Führungsrollen.
Im Gehäuse 1 ist die Triebscheibe 4 drehbar und unschwenkbar gelagert. Sie steht mit der Welle 9 über nicht näher dargestellte formschlüssige Mittel in Antriebsverbindung. Gegenüber der Triebscheibe ist der Gehäusedeckel 12 angeordnet, der mit einer konkaven zylinderförmigen Gleitfläche 13 versehen ist, in welcher der Steuerspiegelkörper 14 schwenkbar geführt ist. Dieser trägt einen feststehenden Lagerzapfen. 15, auf dem die mit den Zylinderbohrungen 16 versehene Zylindertrommel 17 gelagert ist. Die Kolben, 18 sind durch Kolbenstangen 19 mit der Triebscheibe gelenkig verbunden.
Der Steuerspiegelkörper 14 ist mit einem Kugelzapfen 24 versehen, dessen. Achse mit der Achse des Zapfens 15 fluchtet. Der Kugelzapfen greift in eine Querbohrung 25, welche in einer Regelstange 27 des Gehäusedeckels angeordnet ist, ein. Die Regelstange ist in einer Bohrung 26 des Gehäusedeckels, tangential zur Führungsbahn 13 des Steuerspiegelkörpers, axial verschiebbar geführt. Damit der Kugelzapfen 24 über den ganzen Schwenkbereich des Steuerspiegelkörpers mit der Stange 27 formschlüssig verbunden bleibe kann, ist in, der Führungsfläche 13 des Gehäusedeckels ein langlocliförmiger Schlitz 28 angeordnet.
Die Zylinderbohrungen 16 sind über Kanäle 29 mit dem Steuerspiegel verbunden. Weitere Bohrungen 30 verbinden die Entlastungsflächen 31 mit den Zylinderräumen. Zwischen den Entlastungsflächen 31 und den Kanälen 29 sind Vertiefungen 32 in der Stirnfläche der Zylindertrommel angeordnet.
In Fig. 2 ist die Bohrung 26 für die Regelstange 27 gestrichelt sichtbar. Ferner ist die Mündung des Kanals 33 gezeigt, an den außen am Gehäusedeckel z. B. mittels Schrauben 34 eine der Leitungen für das Arbeitsmittel angeflanscht werden kann. Die Bohrungen 35 dienen zur Aufnahme der Befestigungsschrauben für den Gehäusedeckel 12 am Gehäuse 1.
In Fig.3, in welcher der Steuerkörper nach A-B der Fig. 4 geschnitten. ist, ist eine vertikale Aussparung 40 gezeigt, die mit dem Ringkanal 41 (Fig. 4) auf der Steuerspiegelseite in Verbindung steht.
Die Fig. 4, 5 und 6 zeigen weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispieles.
Fig. 4 zeigt die linke Hälfte des Steue.rspiege:lkGrpers 14, vom Gehäusedeckel her gesehen. Auch hier ist die schmale und in senkrechter Richtung ausgedehnte Aussparung 40 dargestellt, außerdem der mit der Aussparung 40 in Verbindung stehende Ringkanal 41 (teils ausgezogen, teils gestrichelt gezeichnet). Ferner ist in Fig. 4 die Stirnfläche der Zylindertrommel 17 dargestellt und zeigt in dunkler Tönung die unmittelbar an der Steuerspiegelfläche des Stene:rspiegelkörpers anliegenden Flächenteile. Die über die Bohrungen 30 mit dem Zylinderinnern. verbundenen Entlastungsflächen 31 und die ringförmige Vertiefung 32 sowie die ovalen Mündungen der zu den Zylindexhohrungen führenden Kanäle 29 erscheinen. in der Zeichnung hell. In die konvexe Führungsfläche des Steuerspiegelkörpers 14 sind Nuten 42 und 43 eingearbeitet, wobei- die Aussparung 40 von einer zusammenhängenden schmalen Dichtfläche eingerahmt bleibt. Mit 44 sind die im Scheitel der konvexen Führungsfläche angebrachten.Abflachungen bezeichnet.
Fig. 5 zeigt eine Stirnansicht des Steuerspiegelkörpers 14 mit dem Führungsbord 45, der Abflachung 44 und dein Nuten 43.
Fig. 6 zeigt den Gehäusedeckel mit dem eingelegten Steuerspiegelkörper 14, den Lagerzapfen 15, die Regelstange 27 (im Schnitt) und den in sie eingreifenden Kugelzapfes 24. An den beiden Stirnseiten des Steuerspiegelkörpers sind die Führungsborde45 angeordnet und die. auf den, exzentrischen Lagerzapfen. 37 der Gewindebolzen 36 gelagerten und am Führungsbord 45 anliegenden Führungsrollen 38. Der Steuerspiege.lkörper wird. in axialer Richtung dadurch geführt, da,ß seine Stirnseiten am Innern. der Seitenwände; der Zylinderkalotte im Gehäusedeckel anstehen.
Die Bohrungen 47, die von der Steuerspiegelfläche zur konvexen Seite des Steuerspiegelkörpers führen, führen dort in die! Abflachungen 44 bzw. zu den Nuten 42 und 43. Am Steuerspiegel münden diese Bohrungen im Bereich der an, der Zylindertrommelstirnseite liegenden Vertiefungen 32. Sie bewirken, daß etwaiges Lecköl am Steuerspiegel sich in der Vertiefung 32 nicht unter Druckbildung ansammeln kann, sondern durch: die Nuten 42, 43 ins Gehäuseinnere abgeleitet wird. Die Ringkanäle 41, die mit den Aussparungen 40 im Steuerspiegelkörper und. den. Öffnungen 33 im Gehäusedeckel in Verbindung stehen, sind ebenfalls sichtbar.
Die Wirkun,gsweis:e der Axialkodbenmaschine kann als bekannt vorausgesetzt werden. Alle damit zusameihäng;aidcn Funktionen. der beschriebenen. Teile ergeben sich aus den Zeichnungen und der Beschreibung.
Im einzelnen. sei noch auf die Wirkungsweise der Entlastungsflächen 31 eingegangen: Angenommen, die Zylinderbohrungen wären auf der Steuerspiegelseite vollkommen geschlossen, so würde der in den Zylinderbohrungen beim Druckhub auftretende! Flüssigkeitsdruck die Zylindertrommel mit einer der Gesamtkraft aller im Druckhub. stehenden Kolben entsprechenden Reaktionskraft in Richtung geigen den Gehäusedeckel belasten. In Wirklichkeit ist diese; Reaktionskraft, wenigstens soweit sie die gemeinsame Gleitfläche zwischen Zylindertrommel 17 und Steuerspiebgelkörper 14 betrifft, bedeutend kleiner, weil sie von einer entgegengesetzt wirkenden Kraft teilweise aufgehoben wird. Diese entgegengesetzte Kraft entsteht an dem unter Druck stehenden Ringkanal des Steuerspiegels. Sie- entspricht größenmäßig etwa dem Produkt aus Ringfläche mal Flüssigkeitsdruck. Die gegeneinander wirkenden resultierenden Gesamtdruckzentren der Kolbenkräfte und des Ringkanals sollten im idealen Fall in einer Flucht liegen, damit keine unerwünschten Kippmomente in der Zylindertrommel ausgelöst werden. Bei den auf einen verkleinerten Durchmesser zusammengezogenen Kanalmündungen der Zylinder müssen auch die: Ringkanäle einen passenden kleineren. Durchmesser haben. Das hat zur Folge; daß der Flächenschwerpunkt des Ringkanals, der mit dem Druckzentrum des Ringkanals zusammenfallend angenommen, werden kann, nicht. mit dem Druckzentrum der am Druckhub beteiligten Kolben zusammenfällt. Er liegt etwas weiter von der Zylindertrommela.chse entfernt. Um das sich an der Zylindertrommel einstellende. Kippmoment zu beseitigen, sind möglichst nahe an der Peripherie der Zylinderstirnfläche die zusätzlichen Entlastungsflächen 31 angeordnet, die von. hinter ihnen liegenden Zylinderbohrungen 16 über die Bohrungen 30 unmittelbar mit dem momentanen Förderdruck der Pumpe beaufschla,gt werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Axialkolbenmaschine mit im Gehäuse ortsfest gelagerter antriebsverbundener Triebscheibe, an welcher die Kolben über Kugelgelenke angelenkt sind, und einem Steuerspiegelkörper, dessen dem Steuerspiegel abgekehrte zylinderförmige Rückseite sich an einer entsprechend geformten Führungsfläche des Gehäuses abstützt und die zwecks Hubverstellung verschwenkbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerspiegelkörper (14) mit Kanälen (40) versehen ist, die durch die Führungsflächen hindurch mit zugeordneten Kanälen (33) im Gehäuse (12) in unmittelbarer Verbindung stehen.
2. Axialkolhenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da.ß die Mündungen (40) der Kanäle: des Steuerspiegelkörpers (14) im Bereich seiner zylin.de,rförmigenFührungsfläche einen so großen Querschnitt aufweisen, daß sie die- Mün.-dun:gen der zugeordneten. Anschlußkanäle (33) im Gehäuse (12) bei jeder Schwenklage vollständig überdecken..
3. Axialkolbenmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, da.ß der Scheitel der konvexen Gleitfläche des Steuerspiegelkörpers (14) mit Abflachungen (44) versehen und der übrige Teil der Gleitfläche, mit Nuten (42, 43) durchzogen ist, welche mit dem Gehäuseinnern in Verbindung stehen und wobei die Kanalmündungen (40) von zusammenhängenden schmalen und am Gehäuse anliegenden Dichtflächen eingerahmt bleiben.
4. Axialko.lbenmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerspiegelkörper (14) im unbelasteten Zustand über Führungsborde (45) und am Gehäuse exzentrisch nachstellbar gelagerte Rollen. (38) gehalten wird.
5. Axia.lkolbenmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur _"erstellung der Schwenklage des Steuerspiegelkörpers (14) eine Verstellstange (27) tangential zur Führungsbahn des Steuerspiegelkörpers in einer Gehäusebohrung (26) axial verschiebbar geführt und mit einer Ouerbohrung (25) versehen. ist, in die ein an sich bekannter Kugelzapfen (24) formschlüssig eingreift, der in. der Verlängerung der Zylin,dertrommelachse am Steuerspiegelkörper (14) befestigt ist.
6. Axialkolbenmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß außer den in an sich bekannter @@Teise auf einem kleineren Teilkreis als dem Zylinderteilkreis liegenden Steueröffnungen (29) der Zylindertrommel (17) an derselben einzelne Entlastungsnuten (31) angeordnet sind, die über Bohrungen (30) mit den Zylindern (16) verbunden sind und deren Flächenschwerpunkte auf einem Kreis liegen, der größer als der Zylinderteilkreis ist.
7. Axialkolbenmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Entlastungsnuten (31) von schmalen, am Steuerspiegel anliegenden Dichtflächen eingerahmt sind und die dazwischenliegenden Vertiefungen zur Ableitung des Lecköls über Bohrungen (47) im Stenerspiegelkörper (14) mit dem Gehäuseraum verbunden sind. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 829 553, 809 629, 628 472, 597 476, 413 807 schweizerische Patentschrift Nr. 251210; französische Patentschrift Nr. 810 971: britische Patentschrift I',Tr. 532 617.