DE102004007933B3 - Axialkolbenmaschine mit einer Vorsteuerungseinrichtung zur Dämpfung von Strömungspulsationen und Herstellungsverfahren - Google Patents

Axialkolbenmaschine mit einer Vorsteuerungseinrichtung zur Dämpfung von Strömungspulsationen und Herstellungsverfahren Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine mit in einem rotierenden Zylinderblock angeordneten Verdrängern und einer Ventilplatte, welche die Verdränger über Ventilöffnungen mit einem Anschluss verbindet, sowie mit einer Vorsteuerungs-Einrichtung zur Minderung von Volumenstrompulsationen. Die Vorsteuerungs-Einrichtung umfasst mindestens einen Trägheitskanal, der eine Querschnittsfläche von weniger als 3 mm·2· aufweist und sich längs der Ventilplatte in deren Umfangsrichtung über wenigstens 45 DEG erstreckt. Dieser Trägheitskanal verbindet die Ventilöffnung wirksam mit dem in sie einsteuernden Verdränger während einer bestimmten Zeitspanne, bevor der Verdränger im Zuge der Rotation des Zylinderblocks mit dem Anschluss verbunden wird. Dabei erfolgt eine Angleichung der im Verdrängerraum und im Anschluss herrschenden Drücke, die durch die Trägheit der im Trägheitskanal befindlichen Ölsäule gesteuert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine mit einer Vorsteuerungseinrichtung zur Dämpfung von Strömungspulsationen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Bei Axialkolbenmaschinen sind die Verdrängerkolben in Zylindern eines Zylinderblocks geführt und rotieren um die Welle der Maschine. Sie stützen sich dabei an einer Schrägscheibe ab und führen bei jeder Umdrehung einen vollständigen Hub aus. Der Zylinderblock liegt mit seiner Kontaktfläche, welche die Ein-/Auslassöffnungen der Verdränger enthält an einer Ventilplatte an, die ihrerseits mittels zweier nierenförmiger Öffnungen den Ein- und Auslass der Verdrängerkolben steuert.
  • Derartige schlitzgesteuerte hydrostatische Kolbenmaschinen, die als Pumpe oder Motor arbeiten können, weisen eine erhebliche Volumenstrompulsation auf, die in erster Linie nicht durch die kinematische Ungleichförmigkeit der Förderung sondern durch den sog. Kompressionsvolumenstrom hervorgerufen wird. Wird nämlich infolge der Rotation eine Verdrängeröffnung (Blockniere) mit der hochdruckseitigen Steueröffnung (Hochdruckniere der Ventilplatte) verbunden, fließt kurzzeitig umgekehrt zur eigentlichen Förderrichtung ein Kompressionsvolumenstrom in den Verdrängerraum bis sich der dort herrschende Druck an den der angeschlossenen Leitung angeglichen hat. Erst danach fließt der Volumenstrom entsprechend der kinematischen Verdrängung. Es wird also bei jeder Umdrehung durch jeden der Verdränger ein kurzzeitiger Einbruch im fließenden Volumenstrom hervorgerufen.
  • Die Folge der periodisch auftretenden Volumenstromeinbrüche sind Druckschwankungen im angeschlossenen Leitungssystem, die einerseits zu Vibrationen mit entsprechender Geräuschabstrahlung führen, andererseits aber auch auf die hydrostatische Kolbenmaschine selbst zurückwirken. Besonders störend sind diese Einbrüche, wenn die Axialkolbenmaschine als Pumpe arbeitet, weil in diesem Falle das zu komprimierende Volumen jedes Verdrängers beim Eintritt in den Hochdruck relativ groß ist.
  • Im Motorbetrieb treten grundsätzlich die gleichen Phänomene auf, allerdings ist hierbei das Volumen im Verdrängerraum beim Anschluss an die Hochdruckseite klein. Damit bleiben auch die aus der Kompression resultierenden Spitzen im Volumenstrom vergleichsweise klein. Ein großer (De-)Kompressions-Volumenstrom tritt im Motorbetrieb dann auf, wenn der Verdränger am Ende des Arbeitshubs mit der Niederdruckseite verbunden wird. Die Auswirkungen sind aber wegen des geringeren Druckniveaus hier ebenfalls nicht so gravierend.
  • Zur Verringerung der Volumenstrompulsation sind aus dem Stand der Technik verschiedene Ansätze bekannt. Die gängigste Methode ist die Verwendung von Vorsteuerkerben oder -bohrungen an den Enden der nierenförmigen Steueröffnungen. Diese Vorsteueröffnungen verbinden den Verdrängerraum über einen kleinen, stark drosselnd wirkenden Querschnitt mit dem jeweiligen Druckanschluss, verlangsamen die Druckangleichung und bauen so die Druckspitzen ab (Ivantysyn, J. u. M.: „Hydrostatische Pumpen und Motoren", Würzburg: Vogel Buchverlag, 1993, S. 137 -151).
  • Die Maßnahme der Vorsteuerkerben kann sich nur über wenige Winkelgrade erstrecken, weil der Querschnitt danach drastisch aufgeweitet werden muss, wenn man eine deutliche Drosselung des kinematischen Volumenstroms vermeiden will. Tatsächlich kann damit auch nur ein Optimum für eine enge Kombination der Betriebsparameter Fördervolumen, Drehzahl und Druck erreicht werden. Soll die hydrostatische Kolbenmaschine auch bei anderen Parametern betrieben werden, was die Regel ist, dann muss mit den Kerben ein Kompromiss gefunden werden, der allen relevanten Betriebszuständen gleichermaßen gerecht wird und weit vom möglichen Optimum entfernt liegt.
  • Es wurde auch schon vorgeschlagen, den Kompressionsvorgang durch den Verdrängerkolben selbst bewirken zu lassen, d.h. den Verdrängerraum erst verspätet nach Überstreichen eines Nichtförderwinkels mit dem Hochdruck zu verbinden. Auch dieses Konzept kann nur für einen Betriebspunkt zufriedenstellend realisiert werden. Der erforderlichen Nichtförderwinkel kann je nach den Betriebsparametern in einem Bereich von 1° bis 25° variieren. Daher bringt die Anwendung dieses Prinzips in den meisten Arbeitspunkten entweder eine unvollständige Kompression oder extreme Druckspitzen im Verdrängerraum mit sich. Solche Druckspitzen lassen sich zwar durch den Einbau eines Rückschlagventils beseitigen, das den Verdränger im Bereich des Nichtförderwinkels mit dem Hochdruck verbindet und den Verdrängerraum freigibt, sobald dort der Druck höher ist als im Anschluss. Aufgrund der extremen Beanspruchung des Rückschlagventils und angesichts extremer Druckspitzen bei großen Fördervolumina hat diese Lösung kaum Anwendung in der Praxis erlangt. Ein weiterer Nachteil dieses Prinzips liegt darin, dass es nicht anwendbar ist auf Einheiten, die zumindest zeitweilig auch im Motorbetrieb arbeiten, weil dann das Rückschlagventil nicht öffnen würde, mit der Folge, dass der Verdrängerraum erst verspätet und nicht vollständig gefüllt werden könnte.
  • Die DE 197 06 114 A1 schlägt ein Vorkompressionsvolumen vor. Hierbei ist ein Speicher vorgesehen, der über einen Verbindungskanal im Bereich zwischen den Steuernieren in der Ventilplatte mündet und den im Verdränger herrschenden Druck an den an den an der Auslaßseite anstehenden Druck angleicht. Das Befüllen des Speicherelements erfolgt dabei in der Zeitspanne, in der der Verdrängerraum über die Blockniere und den Verbindungskanal mit der Hochdruckniere in Verbindung steht.
  • Ein solches Vorkompressionsvolumen wird auch in der DE 42 29 544 A1 vorgeschlagen. In der Vorkompressionsphase wird aus einer Kammer schnell in den jeweiligen Verdränger ein Zusatzkompressionsvolumen entlassen, das anschließend langsamer, über einen längeren Zeitraum aus der Hochdruckseite wieder in die Kammer eingelassen wird. Dies kann die Pulsation zwar erheblich verringern und wird dem Ziel, im Verdrängerraum kurzzeitig Druck aufzubauen, grundsätzlich gerecht. Der Verdrängerraum lässt sich damit allerdings nicht ganz auf den gleichen Druck wie in der Hochdruckniere bringen. Nachteilig ist auch die Tatsache, dass die Vorsteuerkerbe nicht mehr auf das Ziel sanften Druckaufbaus hin optimiert werden kann. Vielmehr muss sie größer ausgestaltet werden, um das Vorkompressionsvolumen wieder auf Druck zu bringen, bevor der nächste Verdrängerraum mit diesem verbunden wird. In der Folge wird die Kraftanregung auf die Schrägscheibenlagerung stärker. Daraus ergibt sich ein Zielkonflikt dergestalt, dass Verbesserungen bei der Volumenstrompulsation Verschlechterungen bei der Kraftanregung mit sich bringen.
  • Aus der Druckschrift DE-OS 1 528 367 ist eine sowohl als Pumpe als auch Motor betreibbare hydraulische Vorrichtung mit einer Ventilplatte bekannt, bei der im Umsteuerbereich eine Bohrung vorgesehen ist, von der aus eine Leitung zur Auslassöffnung führt. In dieser Leitung befindet sich ein Ventil, das über eine weitere Leitung mit der Einlassöffnung verbunden ist und durch den dort herrschenden Druck betätigt wird. Im Pumpbetrieb bleibt das Ventil geschlossen und ohne Wirkung. Die dabei auftretende Vorverdichtung wird als erwünscht angesehen. Im Motorbetrieb, bei dem die Vorverdichtung und übermäßige Druckspitzen vermieden werden sollen, öffnet sich das Ventil unter dem jetzt einlassseitig höheren Druck, so dass sich die Verhältnisse im Auslass und im Zylinder rechtzeitig ausgleichen können.
  • Eine andere, ebenfalls ventilgesteuerte Einrichtung ist in der Druckschrift DE 100 34 857 A1 beschrieben. Sie umfasst eine Steuerplatte, in deren Umsteuerbereich eine Bohrung mündet, die über einen Kanal mit der Hochdruckseite verbunden ist. In dieser Leitung befindet sich eine vom Hochdruck gesteuerte Drossel, die ihrerseits eine in der Leitung fest vorgegebene weitere Drossel nach Maßgabe des Hochdrucks freigibt.
  • Die beschriebenen Vorschläge bleiben letztlich unbefriedigend und/oder benötigen zusätzliche bewegliche Teile wie Ventile und variable Drosseln.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Axialkolbenmaschine mit verbesserter Vorsteuerung bereitzustellen.
  • Die Erfindung sieht hierzu mindestens einen Trägheitskanal vor, der eine Querschnittsfläche von weniger als 3 mm2 aufweist und eine Länge von wenigstens einem Achtel des Teilkreisumfangs hat, d.h. dass sich der Trägheitskanal über wenigstens 45° erstreckt, wenn er längs der Ventilplatte in deren Umfangsrichtung geführt ist. Dabei verbindet der Trägheitskanal die Ventilöffnung mit dem in sie einsteuernden Verdränger während einer bestimmten Zeitspanne, bevor der Verdränger im Zuge der Rotation des Zylinderblocks mit dem Anschluss verbunden wird, so dass eine Angleichung der im Verdrängerraum und im Anschluss herrschenden Drücke erfolgt, die durch die Trägheit der im Kanal befindlichen Ölsäule gesteuert wird.
  • Vorgeschlagen wird also eine Begrenzung des maximalen Kompressionsvolumenstroms durch Einbeziehung der Trägheit einer in einem entsprechend dimensionierten Kanal stehenden Ölsäule. Der maximale Kompressionsvolumenstrom tritt bei Verwendung von Vorsteuerkerben in dem Augenblick auf, in dem der Verdrängerraum Verbindung zum Hochruckanschluss erlangt. In diesem Moment hat die Druckdifferenz ihren maximalen Wert. In der Vorsteuerkerbe kommt es augenblicklich zu einem sehr großen Kompressionsvolumenstrom, weil aus verschiedenen, z. B. fertigungstechnischen Gründen eine Vorsteuerkerbe nicht so fein ausgearbeitet werden kann, wie es für einen sanften Druckaufbau nötig wäre. Die Folgen sind nicht nur der eingangs erwähnte Einbruch in der Druckleitung sondern auch eine extreme Beschleunigung der Ölteilchen in der fraglichen Zone. Dies bringt einen vorzeitigen Verschleiß durch Kavitation und Erosion sowie eine erhöhte Geräuschentwicklung mit sich.
  • Wird dagegen die Verbindung des Verdrängerraumes mit der Hochdruckniere zunächst über eine lange dünne Leitung realisiert, dann kann trotz maximaler Druckdifferenz nicht sofort der maximale Kompressionsvolumenstrom fließen, weil zuerst die in der Leitung stehende Ölsäule beschleunigt werden muss. Dieser Vorgang benötigt aber eine gewisse Zeit, so dass der Kompressionsvolumenstrom erst danach seinen maximalen Wert erreicht. Dann hat sich aber aufgrund des in der Beschleunigungsphase bereits geflossenen Öls ein Gegendruck aufgebaut, so dass der erste kritische Moment überwunden ist. Die Druckänderungsgeschwindigkeit vergleichmäßigt sich dadurch deutlich und ist zudem nicht mehr so stark vom Druck in der Hochdruckniere abhängig. Erst nach dieser Vorsteuerungsphase erfolgt im Zuge der Rotation des Zylinderblocks die eigentliche Verbindung zur Hochdruckniere.
  • Da der Verdrängenaum nicht hermetisch abgeschlossen ist, könnte unter bestimmten Betriebsparametern auch eine gewisse Drucküberhöhung im Verdrängerraum in Kauf genommen werden. Diese würde die Ölsäule in umgekehrter Richtung beschleunigen und damit der Drucküberhöhung entgegenwirken.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine sind in den Unteransprüchen niedergelegt. So kann die Zeitspanne, in der die im Trägheitskanal befindliche Ölsäule zur Druckangleichung wirksam ist, mittels eines weiteren in die Ventilöffnung ein- oder aussteuernden Verdrängers bestimmt werden, der in den Verbindungsweg vom Verdränger über den Trägheitskanal zur Ventilöffnung einbezogen ist. Auf diese Weise lässt sich der Winkel, über den der Trägheitskanal wirksam ist, verkürzen. Außerdem kann auf diese Weise beim Übergang auf die Niederdruckseite der Druck im Verdrängerraum abgebaut werden, bevor die eigentliche Verbindung hergestellt ist.
  • Vorteilhaft ist ferner, wenn für den Vorsteuerungsvorgang mehrere Trägheitskanäle vorgesehen werden, die für jeweils unterschiedliche Drehzahlbereiche optimiert sind.
  • Erfindungsgemäß sind sowohl für die Hochdruck- als auch für die Niederdruckseite jeweils ein oder mehrere Trägheitskanäle vorgesehen, die gleich ausgestaltet sind, wenn die Einheiten im geschlossenen Kreis eingesetzt werden sollen, bei denen die Hochdruckseite wechseln kann. Wechselt, wie z. B. bei Pumpen für den offenen Kreislauf, die Hochdruckseite nicht, können die Trägheitskanäle genutzt werden um den Druckwechselvorgang sowohl auf der Hochdruck- als auch auf der Niederdruckseite jeweils für sich zu optimieren; dies bedeutet in der Regel eine unsymmetrische Anordnung mit Kanälen, die auf beiden Seiten ungleich gestaltet sind.
  • Trägheitskanäle lassen sich besonders vorteilhaft mit Vorsteuerkerben kombinieren. Deren Nachteil, dass unmittelbar mit dem Einsetzen der Vorsteuerung der maximale Volumenstrom auftritt, wird weitgehend beseitigt. Im übrigen bleiben aber die Funktion sowie die Möglichkeiten, durch Formgebung der Vorsteuerkerben die Eigenschaften des Triebwerks zu beeinflussen, in vollem Umfang erhalten.
  • Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung von Trägheitskanälen in einer Axialkolbenmaschine der beschriebenen An.
  • Bevorzugt lassen sich Trägheitskanäle dadurch realisieren, dass sie spanend oder gusstechnisch als Nuten in die Rückfläche der Ventilplatte oder in die Auflagefläche der Ventilplatte im Endgehäuse eingebracht werden, wobei die Ventilplatte und die Auflagefläche anschließend zur Bildung druckfester Kanäle miteinander verbunden werden.
  • Vorteilhafterweise können die Kanäle als Nuten auch in die radiale Mantelfläche der Ventilplatte eingebracht werden, wobei die Mantelfläche anschließend durch Aufbringen, insbesondere durch Aufschrumpfen eines rohr- oder ringförmigen Bauteils, zur Bildung druckfester Kanäle verschlossen wird.
  • Schließlich lassen sich die Trägheitskanäle auch als hochfeste Drähte in einem Gussteil realisieren, wobei die Drähte nach der Erstarrung aus dem Gussteil herausgezogen werden.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nun anhand der Zeichnungen beschrieben.
  • Es zeigen:
  • 1: eine Ventilplatte in Draufsicht auf die dem Zylinderblock zugewandte Fläche;
  • 2: die Ventilplatte mit anliegenden Bohrungen des Zylinderblocks (Blocknieren) in zwei den wirksamen Winkel des Trägheitskanals begrenzenden Stellungen;
  • 3: die Ventilplatte mit anliegenden Bohrungen des Zylinderblocks bei Begrenzung des wirksamen Winkels durch Einbeziehung eines weiteren, aussteuernden Verdrängers; und
  • 4: eine Ventilplatte mit mehreren Trägheitskanälen zur Verringerung der Drehzahlabhängigkeit.
  • Die 1 zeigt die prinzipielle Ausgestaltung der Ventilplatte 1 einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine in Draufsicht auf die dem Zylinderblock zugewandte Kontaktfläche. Von einer Stelle im Bereich der Totpunkte der Ventilplatte 1 werden Trägheitskanäle 2 zur jeweils in Drehrichtung des Zylinderblocks nachfolgenden Niere 3 gelegt. Die Länge der Leitungen und ihr Durchmesser bestimmen die Trägheit der darin eingeschlossenen Ölsäule. In der gezeigten symmetrischen Anordnung ist die Ventilplatte 1 für Einheiten im geschlossenen Kreis einsetzbar, bei denen die Hochdruckseite wechseln kann. Wechselt, wie z.B. bei Pumpen für den offenen Kreislauf, die Hochdruckseite nicht, reicht es ggfs. aus, nur den Trägheitskanal 2a vom inneren Totpunkt zur nachfolgenden Hochdruckniere 3a vorzusehen. Niederdruckseitig kann dann der Trägheitskanal 2b zur entsprechenden Niere 3b ganz weggelassen oder dafür genutzt werden, um auch den Druckwechselvorgang von Hoch- auf Niederdruck zu optimieren. In diesem Falle werden dann die geometrischen Abmessungen der Kanäle beiderseits unterschiedlich ausfallen.
  • Die Methode der Trägheitskanäle lässt sich vorteilhaft mit den an sich bekannten Vorsteuerkerben kombinieren, die in 1 an den Enden der Ventilöffnungen 3a, 3b schematisch dargestellt sind.
  • In 2 ist das Zusammenwirken der Ventilplatte mit den Öffnungen der Verdränger im Zylinderblock dargestellt. Der zeitliche Ablauf des Druckwechsels, d.h. die Zeitspanne, über die hinweg der Trägheitskanal wirksam ist, wird durch den Winkelbereich bestimmt, in dem der Verdrängerraum mit dem Trägheitskanal verbunden ist. Der Winkelbereich ergibt sich durch die Größe der Blockniere, die den Verdrängerraum mit der Ventilöffnung verbindet. In der in 2a gezeigten Stellung der Blockniere 4 beginnt gerade diese Verbindung über den Trägheitskanal wirksam zu werden, wenn der Verdrängerraum 15,7° vor dem inneren Totpunkt steht. In der in 2b dargestellten Position, d.h. 16,2° hinter dem inneren Totpunkt, wird die Verbindung über den Trägheitskanal beendet. Bis dahin sind auch bereits die Vorsteuerkerbe bzw. die Ventilöffnung selbst wirksam geworden.
  • Wenn es zur Optimierung des Druckwechselvorgangs erforderlich ist, die Wirkung des Trägheitskanals auf einen kleineren Winkel zu beschränken, kann dies durch eine Anordnung nach 3 erreicht werden. Hier ist zwar die Verbindung zwischen Trägheitskanal und Blockniere 4 des umsteuernden Verdrängerraumes im wesentlichen unverändert. Der Trägheitskanal wird aber sozusagen erst verspätet mit dem Hochdruck verbunden, nämlich durch die Blockniere 5 eines die Hochdruckniere verlassenden Verdrängerraumes. In dem in 3a dargestellten Beispiel erfolgt dies, wenn der zur Blockniere 4 gehörige Verdrängerraum 9,6° vor dem inneren Totpunkt angelangt ist. In der in 3b gezeigten Situation endet die Verbindung zwischen Blockniere 4 und Trägheitskanal 8,1 ° hinter dem inneren Totpunkt. Der insgesamt wirksame Winkelbereich ist mit 17,7° nur noch etwa halb so groß wie in der Anordnung nach 2.
  • Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist in 3c zu erkennen, welche die Blocknieren wenige Winkelgrade später zeigt. Die Blockniere 5 ist immer noch mit dem Trägheitskanal, jetzt aber über die Blockniere 6 mit der Niederdruckseite verbunden. Damit wird der Druck im zur Blockniere 5 gehörigen Verdrängerraum abgebaut, bevor dieser regulär mit dem Niederdruck verbunden wird.
  • Das zur Vorkompression des Verdrängerraums erforderliche Ölvolumen steigt linear mit der Druckdifferenz an. Ein Umsteuerungsverfahren sollte diesem linearen Zusammenhang möglichst folgen, andernfalls kann ein zufrieden stellendes Ergebnis nur für einen engen Variationsbereich des Drucks erreicht werden. Bei der Verwendung von Vorsteuerkerben wächst der Volumenstrom nur mit der Wurzel des Drucks. Bei der trägheitsgesteuerten Vorkompression ist dagegen die pro Zeiteinheit übertragene Menge in erster Linie direkt proportional zur Druckdifferenz. Erst bei sehr hohen Strömen kommen überproportional anwachsende Reibungsverluste zum Tragen. Die hier vorgeschlagene trägheitsgesteuerte Vorkompresion weist daher im Vergleich zu den bekannten Vorsteuerkerben eine erheblich geringere Druckabhängigkeit auf.
  • Mit der in der 4 dargestellten Weiterbildung des vorgeschlagenen Prinzips lässt sich auch die Abhängigkeit der Vorkompressions-Wirkung von der Drehzahl stark reduzieren. Zu diesem Zweck werden mehrere Trägheitskanäle 7, 8, 9 unterschiedlicher hydraulischer Induktivität, d.h. unterschiedlicher Trägheit der eingeschlossenen Ölsäule vorgesehen. Der Kanal 7 mit der höchsten Induktivität wird in Drehrichtung zuerst mit dem einsteuernden Verdränger verbunden, im gezeigten Beispiel 10° vor dem Totpunkt. Seine Induktivität ist so eingestellt, dass der Druckaufbau bei einer Drehzahl von 1000 min-1 erst ca. 10° später stattfindet. Bei höheren Drehzahlen wird in gleicher Zeit ein entsprechend größerer Winkel überstrichen, so dass dieser Kanal 7 dann weitgehend wirkungslos bleibt.
  • Der nächste Kanal 8 wird erst 5° vor dem Totpunkt mit dem Verdrängerraum verbunden. Seine Trägheit ist so eingestellt, dass der Druckaufbau bei mittleren Drehzahlen schon nach ca. 5° einsetzt. Bei noch höheren Drehzahlen ist dieser Kanal 8 ebenfalls praktisch wirkungslos, bei geringen Drehzahlen leistet er zwar einen Beitrag zum Druckaufbau, der jedoch vergleichsweise gering bleibt, weil die Wirkung dieses Kanals zu spät einsetzt. Dies lässt sich mit einem dritten Kanal 9 und ggfs mit weiteren Kanälen fortsetzen, die aufgrund weiter verringerter Trägheit und wegen der noch späteren Verbindung mit dem Verdrängerraum erst bei entsprechend höheren Drehzahlen ihre Wirkung entfalten.
  • Die Wirkung des Trägheitskanals ergibt sich aus der Trägheit der eingeschlossenen Ölsäule und dem Winkelbereich beziehungsweise der Zeitspanne, in der der Kanal die wirksame Verbindung zwischen der Hochdruckniere und dem einsteuernden Verdrängerraum bildet. Die Kenngröße, die die Trägheit charakterisiert, ist die hydraulische Induktivität. Sie ist proportional zum Quotienten aus Länge und Querschnittsfläche des Kanals. Aus mehreren Gründen kann dabei die Querschnittsfläche nur in einem sehr kleinen Bereich variiert werden:
    Erstens lässt sich auch bei sorgfältiger Wartung und Pflege nie völlig vermeiden, dass kleine Partikel durch das Hydrauliksystem gespült werden. Um Funktionsbeeinträchtigungen durch verstopfte Blenden und Bohrungen zu vermeiden, muss daher der Durchmesser im kleinsten Strömungsquerschnitt mindestens ca. 0,5 mm bis 0,7 mm betragen. Für lange Kanäle ist dieser Wert eher höher anzusetzen, um das Herausspülen eingetragener Partikel sicher zu gewährleisten.
    Zweitens ist die im Kanal eingeschlossene Ölsäule schwingungsfähig. Für eine einwandfreie Funktion muss daher eine entsprechende Dämpfung vorgesehen werden. Diese kann durch eine Abschlussblende erfolgen, was aber zusätzlichen fertigungstechnischen Auswand bedeutet. Einfacher ist es, die Dämpfung durch die Seitenwandreibung innerhalb des Trägheitskananls zu bewirken. Dies bedeutet, dass der Querschnitt des Kanals nicht beliebig groß gemacht werden kann.
    Drittens ist zu berücksichtigen, dass der hydraulische Widerstand einer Rohrleitung und damit die vorerwähnte Dämpfungswirkung proportional zur Länge aber in der vierten Potenz zum Kehrwert des Durchmessers ist. Um hier den Einfluss von Fertigungstoleranzen gering zu halten, muss der Durchmesser innerhalb des erlaubten Bereichs möglichst groß gewählt werden.
  • Um eine vorgegebene Induktivität zu erreichen, steht aufgrund dieser Randbedingungen nur ein sehr geringer Spielraum zur Variation von Länge und Durchmesser des Trägheitskanals zur Verfügung. Rechnungen an einem 75 ccm Triebwerk ergaben, dass ein nennenswerter Effekt ab einer Länge des Trägheitskanals von ca. 30 mm zu erreichen ist. Bei dem für dieses Triebwerk geltenden Teilkreisdurchmesser von 80 mm bedeutet dies, dass sich der Kanal wenigstens 45° in Umfangsrichtung der Ventilplatte erstrecken muss. Bei anderen Baugrößen verändert sich zwar der Teilkreisdurchmesser, gleichzeitig aber auch der typische Drehzahlbereich, so dass das 45°-Kriterium etwa bestehen bleibt. Die gewünschte Dämpfungswirkung lässt sich nur erreichen, wenn der Durchmesser des Kanals unter 2 mm liegt bzw. die Querschnittsfläche weniger als 3 mm2 beträgt.

Claims (10)

  1. Axialkolbenmaschine mit in einem rotierenden Zylinderblock angeordneten Verdrängern und einer Ventilplatte, welche die Verdränger über Ventilöffnungen abwechselnd mit je einem von zwei Anschlüssen verbindet, sowie mit einer Vorsteuerungs-Einrichtung zur Minderung von Volumenstrompulsationen, wobei die Vorsteuerungs-Einrichtung mindestens einen Kanal umfasst, der während einer bestimmten Zeitspanne eine Verbindung zwischen einer Ventilöffnung und einem Verdrängerraum herstellt, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal als Trägheitskanal ausgebildet ist und eine Querschnittsfläche von weniger als 3 mm2 aufweist und eine Länge von wenigstens einem Achtel des Teilkreisumfangs hat, wobei der Trägheitskanal die Ventilöffnung mit dem in sie einsteuernden Verdränger während der bestimmten Zeitspanne wirksam verbindet, bevor der Verdränger im Zuge der Rotation des Zylinderblocks mit dem Anschluss verbunden wird, und wobei eine Angleichung der im Verdrängerraum und im Anschluss herrschenden Drücke erfolgt, die durch die Trägheit der im Trägheitskanal befindlichen Ölsäule gesteuert wird.
  2. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bestimmte Zeitspanne, in der der Trägheitskanal zum Druckauf- oder abbau im einsteuernden Verdränger beiträgt, dadurch bestimmt ist, dass ein weiterer ein- oder aussteuernder Verdränger in den Verbindungsweg vom Trägheitskanal zur Ventilöffnung einbezogen ist.
  3. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, für jeweils unterschiedliche Drehzahlbereiche optimierte Trägheitskanäle vorgesehen sind.
  4. Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Trägheitskanäle sowohl für die Hoch- als auch für die Niederdruckseite vorgesehen sind.
  5. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägheitskanäle für die Hoch- und die Niederdruckseite gleich gestaltet sind.
  6. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägheitskanäle für die Hoch- und die Niederdruckseite verschieden gestaltet sind.
  7. Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Trägheitskanäle in Kombination mit Vorsteuerkerben vorgesehen sind.
  8. Verfahren zur Herstellung von Trägheitskanälen in einer Axialkolbenmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägheitskanäle als Nuten in die Rückfläche der Ventilplatte oder in die Auflagefläche der Ventilplatte im Endgehäuse spanend oder gusstechnisch eingebracht werden, wobei die Ventilplatte und die Auflagefläche anschließend zur Bildung druckfester Kanäle miteinander verbunden werden.
  9. Verfahren zur Herstellung von Trägheitskanälen in einer Axialkolbenmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägheitskanäle als Nuten in die in die radiale Mantelfläche der Ventilplatte eingebracht werden und die Mantelfläche anschließend durch Aufbringen, insbesondere durch Aufschrumpfen eines rohr- oder ringförmigen Bauteils zur Bildung druckdichter Kanäle verschlossen wird.
  10. Verfahren zur Herstellung von Trägheitskanälen in einer Axialkolbenmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägheitskanäle als hochfeste Drähte in einem Gussteil realisiert werden und die Drähte nach der Erstarrung aus dem Gussteil herausgezogen werden.
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