-
Die Erfindung betrifft eine verstellbare Hydraulikpumpe oder Motor mit axial verschiebbaren Flügeln, deren
Rotorachse von radialen Kräften entlastet ist.
-
Es sind Flügelzellenmaschinen bekannt, deren Flügel radial verschiebbar sind, wobei die Flügel innen im
Rotor oder außen im Stator bzw. Gehäuse (Sperrflügelmaschinen) angeordnet sein können. Verstellbarkeit ist nur
bei einhubigen Flügelzellenmaschinen durch Veränderung der Exzentrizität des Rotors zum Außenring möglich.
Diese Maschinen weisen große Lagerbelastungen und Gleitreibung auf. Die Verstellung erfordert große Kräfte.
Mehrhubige Bauarten weisen geringere Lager- und innere Kräfte auf, sind aber nicht verstellbar.
-
Axkomaschinen sind in der Hydraulik dominant, haben das günstigste Leistungsgewicht, sind als Pumpen wie
auch als Motoren verstellbar, aber teuer.
-
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe eine hydraulische Maschine für rotatorische Antriebe zu schaffen,
-
- deren Leistungsgewicht extrem niedrig ist,
- - deren Lagerbelastung infolge symmetrisch angreifender Hydraulikkräfte praktisch gleich Null ist,
- - deren Verstellkräfte klein sind,
- - deren vom Arbeitsmedium beaufschlagten Teile hinsichtlich der auf sie wirkenden Kräfte ausgeglichen
sind,
- - deren Dichtspalte weitgehend kraftschlüssig bestimmt sind.
-
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird dadurch gelöst, dass vier Flügel axial verschiebbar in entsprechenden
Rotorschlitzen eines trommelförmigen Rotors angeordnet sind, dass die Flügel an der inneren Seite eine
Aussparung oder einen Ansatz aufweisen, in welche entweder ein im Schlitzgrund eingesteckter Stift mit
rechteckigem Kopf hineinragt, bzw. dass in den Rotorschlitz von außen Zungen ragen und dass die dadurch
gebildeten Steuerräume mit, von einem Steuerschieber gesteuerte, Bohrungen verbunden sind und dass die
Stirnflächen der Flügel einerseits auf der, der Rotortrommel gegenüberliegenden Stirnfläche einer Gleitscheibe
gleiten, in deren um 180° gegenüberliegenden Schlitze Festflügel angeordnet sind und dass die Stirnflächen der
Festflügel wiederum auf der Stirnfläche der Rotortrommel gleiten, wobei beiderseits der Festflügel in der
Gleitscheibe und einem Anschlussgehäuse je eine Zu- oder Ableitung für das Arbeitsmedium angeordnet ist.
-
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Gleitscheibe als ein Verstellkörper ausgebildet ist,
dass je eine Zu- und je eine Abflussleitung in zwei um 180° gegenüberliegenden Stegen, die auch die Festflügel
in sich aufnehmen, untergebracht sind, wobei der Verstellkörper in den Stegen und in einem, beide
umschließenden Zylinder dichtend gleitet, wobei der Verstellkörper zusammen mit einem abschließenden
Anschlussgehäuse so wie mit dem umschließenden Zylinder und mit den Stegen einen Verstellraum bildet, der durch Zu-
oder Abführung des Arbeitsmediums den Verstellkörper verschiebt und somit den Flügelhub h und damit den
Schluckstrom bzw. Förderstrom verändert.
-
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Flügel eine oder mehrere axiale Bohrungen
aufweisen, die beide Stirnflächen verbinden und somit einen Druckausgleich herstellen und dass die, den Festflügeln
gegenüberliegenden, durch die Rotorschlitze getrennten Stirnflächen des Rotors, mehrere im Umkreis
angeordnete axiale Bohrungen aufweisen, die jeweils in die, in den gegenüberliegenden Stirnflächen angeordneten.
Taschen münden, so dass sich in diesen Taschen der auf der gegenüberliegenden Seite herrschende Druck
aufbauen kann, womit die auf den Rotor wirkenden axialen Kräfte ausgeglichen werden.
-
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Zuleitung von Druckmedium zum Verstellraum oder
die Ableitung von drucklosem Medium aus dem Verstellraum durch einen Steuerschieber mit einem ring- oder
schraubenförmigen, das Druck vom drucklosen Medium trennenden Steg erfolgt, wobei, je nach axialer oder
Dreh-Stellung des Steuerschiebers, das entsprechende Medium in den Verstellraum so lange zu oder abfließt,
bis der ring- oder schraubenförmige Steg die im Verstellkörper angeordnete und zum Verstellraum
hinführende Überströmbohrung abschließt.
-
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das austauchende Ende des Flügel auf beiden Seiten
mehrere in der Höhe und Tiefe gestaffelte seitliche Bohrungen aufweist, die in je eine axiale Bohrung
einmünden, die sich einerseits zu einer Tasche der gegenüberliegenden Seite des Flügels und weiter hinten in eine
schmälere Tasche auf der gleichen Seite des Flügels verzweigen, wobei die mittleren, mit der
gegenüberliegenden Seite verbundenen breiten Taschen eine größere Fläche als die weiter hinten liegenden, mit der
gleichen Seite verbundenen, schmalen Taschen haben.
-
Das Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend in verschiedenen Zeichnungen dargestellt.
-
Fig. 1 zeigt eine konstruktive Ausgestaltung einer nicht verstellbaren Axialflügelmaschine.
-
Fig. 1a bis 1e zeigen einen weiteren Längs- und vier Querschnitte dieser nicht verstellbaren
Axialflügelmaschine.
-
Zum besseren Verständnis der neuen Bauweise ist in Fig. 2 die Axialflügelmaschine perspektivisch dargestellt.
Der Rotor ist in Fig. 2a, der Steuerschieber in Fig. 2b und die Gleitscheibe in Fig. 2c dargestellt.
-
Fig. 3 zeigt eine verstellbare Axialflügelmaschine. Fig. 3a bis 3e zeigen einen weiteren Längs- und vier
Querschnitte dieser Maschine.
-
Wiederum zum besseren Verständnis des Aufbaus der verstellbaren Axialflügelmaschine zeigt Fig. 4 deren
perspektivische Ansicht.
-
In Fig. 5 und 5a ist der Rotor der Axialflügelmaschine perspektivisch von 2 Seiten gesehen dargestellt. Fig. 6
zeigt einen Flügel mit den für den Querkraftausgleich erforderlichen Bohrungen und Taschen, ebenfalls in
perspektivischer Darstellung. Fig. 7 zeigt diesen Flügel in einer Ansicht und 2 Schnitten. Fig. 8 zeigt den Angriff der
hydraulischen Kräfte am Flügellängsschnitt. Fig. 9 zeigt, als Besonderheit, angeschliffene Flächen an den
Stirnseiten der Flügel.
-
Fig. 10 zeigt, schematisch dargestellt, eine Stellung des Rotors mit seinen Flügeln gegenüber den Festflügeln
im Steg. In Fig. 10a bis 10c sind drei weitere Stellungen des Rotors dargestellt.
-
Fig. 11 zeigt ein Beispiel für eine druck- beziehungsweise leistungsabhängige Verstellung eines
Axialflügelmotors in einem Teil-Längsschnitt. Fig. 11a zeigt den zugehörigen Querschnitt. Fig. 12 zeigt eine entsprechende
Verstellung für eine Axialflügelpumpe. Fig. 13 zeigt eine direkte, druckunabhängige Verstellung.
-
Fig. 14 zeigt die Ausbildung des Steuerschiebers für Flügel mit einem mittleren Ansatz und Fig. 15 zeigt die
Ausbildung des Steuerschiebers für Flügel mit einer mittleren Aussparung. Fig. 14a und 15a zeigen einen
Teilquerschnitt und zwar den Flügel kurz vor dem Überfahren des Festflügels.
-
Fig. 16 zeigt Einzelheiten die Winkelverstellung des Steuerschiebers für den Vorwärts- und Rückwärtslauf.
-
Fig. 17 zeigt den Zusammenhang zwischen Stellung des Steuerschiebers und Axialbewegung der Flügel
anhand einer abgewickelten Darstellung des Rotors, des Verstellkörpers, der Stege und des Anschlussgehäuse.
Die Beschreibung des einfacheren Aufbaus der nicht verstellbaren Ausführung einer Axialflügelmaschine
erfolgt anhand Fig. 1, so wie anhand der perspektivischen Darstellung nach Fig. 2.
-
Die Axialflügelmaschine besteht aus einem trommelförmigen Rotor 1 mit in der Trommel eingearbeiteten
Rotorschlitzen 1a für die Flügel 2, mit einen Antriebszapfen 1b und einem inneren Zapfen 1c. Der
Antriebszapfen 1b besitzt in diesem Beispiel ein Außenzahnprofil und ist in einem Lagerdeckel 3, der
gegenüberliegende innere Zapfen 1c in einer entsprechenden Ausdrehung 4a einer Gleitscheibe 4 gelagert. Die Gleitscheibe 4
mit Schlitzen 4b für die Festflügel 8 stützt sich auf das Anschlussgehäuse 7 mit den Kanälen 7b und 7c für
Arbeitsmedium ab.
-
Der Rotor 1 ist durch einen Zylinder 5 umschlossen. Zuganker 6a spannen über einen Flansch 6. einen
Lagerdeckel 3, die Gleitscheibe 4, das Anschlussgehäuse 7 gegen den im Zylinder 5 herrschenden Arbeitsdruck
zusammen.
-
Ein Steuerschieber 10 ist an seiner linken Seite drehbar in einer Mittelbohrung des Rotors 1 und an seiner
rechten Seite drehfest, bzw. über eine Verzahnung um einen Winkelbetrag drehbar, in einer entsprechenden
Bohrung des Anschlussgehäuses 7 gelagert. Der Steuerschieber 10 besitzt mit dem Ablaufdruck verbunden
Nuten 10c, Segmentschlitze 10a, die über Bohrungen 10e mit einer zentralen Bohrung 10g verbunden sind
und mit dem Systemdruck beaufschlagt sind und weitere Segmentschlitze 10b die über längere Nuten 10d mit
dem drucklosen Raum 11 zwischen Rotor 1 und Gleitscheibe 4 verbunden sowie Bohrungen 10f die ebenfalls mit
der zentralen Bohrung 10h verbunden sind. Der Druck wird über eine Ringnut 10h und radiale Bohrungen der
Längsbohrung 10g zugeführt. Die Schlitzsegmente 10a und 10b, die kurze und die fange Nut 10c, 10d geben je
nach Stellung des Steuerschiebers die entsprechenden Bohrungen 1d und 1e des Rotors 1 frei.
-
Das Anschlussgehäuse 7 nimmt die Kanäle für Arbeitsmedium 7b bzw. 7c auf. Außen sind Rohrleitungen 12
unter Zuhilfenahme von Rundring-Dichtungen 12a angeschlossen. Die Gleitscheibe 4 in deren Schlitze die
Festflügel 8 angeordnet sind, ist mit dem Anschlussgehäuse 7 fest verbunden, beispielsweise verschraubt. Die
Gleitscheibe 4 mit den Festflügeln 8 ist gesondert in Fig. 2b perspektivisch dargestellt.
-
Das rechte Ende des Steuerschiebers 10 hat im dargestellten Anwendungsbeispiel nach Fig. 1 und Fig. 2 eine
Verzahnung, in welche eine kleinen Zahnstange 11 greift und ermöglicht den Links- und Rechtslauf der
Maschine.
-
Die verstellbare Ausführung einer Axialflügelmaschine wird anhand Fig. 3 und Fig. 4 in den abweichenden
Eigenheiten gegenüber dem Ausführungsbeispiel einer nicht verstellbaren Maschine beschrieben.
-
An der inneren Stirnfläche des Anschlussgehäuses 7 sind, einander 180° gegenüberliegend, zwei Stege 9
beispielsweise durch Verschrauben befestigt. In diesen befinden sich Kanäle 9a und 9b für das Arbeitsmedium.
An der Stirnseite der Stege 9 befindet sich eine Auflauframpe 9c. In dem Schütz 9d der Stege 9 sind die
Festflügel 8 eingepasst.
-
Ein Verstellkörper 13 ist zwischen die Stege 9 so wie in den Zylinder 5 eingepasst und kann sich axial
bewegen. Der Verstellkörper 13, das Anschlussgehäuse 7 und der Zylinder 5 umschließen einen Verstellraum 14.
-
Fig. 11 zeigt einen Verstellschieber 15, der sich in einer Bohrung 13a des Verstellkörpers 13 axial bewegen
kann und den Zu- oder Abfluss in den Verstellraum 14 steuert. Die Betätigungskraft für den Verstellschieber
15 kann von außen durch einen mechanischen oder hydraulischen Stelltrieb oder durch eine Feder mit
veränderbarer Verstellkraft bewirkt werden.
-
Die Flügel 2 sind, wie bei der Konstantmaschine beschrieben, angeordnet.
-
Nachfolgend wird zunächst die Wirkungsweise als Motor beschrieben. Wie aus der schematischen Darstellung
Fig. 10 zu ersehen, fließt durch den Kanal für Arbeitsmedium 7b unter Druck stehendes Arbeitsmedium in zwei
gegenüberliegende Arbeitsräume AR1 und AR1' und durch Kanal für Arbeitsmedium 7c druckloses
Arbeitsmedium aus dem Arbeitsraum AR2 ab. Der Arbeitsraum AR1 und AR1' wird von dem Festflügel 8 bzw. 8' und dem
übernächsten Flügel 2.2 bzw. 2.4 eingeschlossen. Wie aus Fig. 17 zu ersehen, dichten die dazwischen liegenden
Flügel 22.5° nach Überfahren des Festflügels 8 nach nicht gegen die Gleitscheibe 4 bzw. gegen den
Verstellkörper 13 ab, so dass sich der Druck des Arbeitsmediums einerseits gegen den Festflügel 8 bzw. 8' und
andererseits gegen den Flügel 2.2 bzw. 2.4 abstützt. Das unter Druck stehende Arbeitsmedium ist in Fig. 10
dichter schraffiert und so zu erkennen.
-
Wie Fig. 10 zu entnehmen ist die Dicke des Festflügels 8 größer als die Dicke des Flügels 2. Dies ist aus
folgendem Grund von Bedeutung. Wenn sich der Rotor 1 dreht, dann gleiten die Festflügel 8 über die durch die
Rotorschlitze 1a unterbrochene Stirnfläche der Rotortrommel. Dabei werden die Festflügel 8, wie später noch
erläutert, hydraulisch an die Stirnfläche der Rotortrommel angedrückt. Da die Festflügel 8 dicker als die Flügel
2 sind überdecken die Festflügel 8 in jeder Stellung die schmäleren Rotorschlitze der Flügel 2, d. h. die Kanten
der Festflügel 8 können sich nicht mit den kanten der Rotorschlitze verhaken.
-
Voraussetzung ist dass die Flügel 2 ganz oder um einige hundertstel mm tiefer in die Rotortrommel
einfahren. Das Gleiten des Festflügels 8 über den Flügel 2 wird möglicherweise noch durch die angefasten Flächen
gemäß Fig. 9 verbessert.
-
Der Druck des Arbeitsmediums auf die in Fig. 2 und Fig. 4 angezeigte Fläche A bewirkt die Umfangskraft F,
die das entsprechende Antriebsmoment des Axialflügelmotors bewirkt.
-
Die axiale Bewegung der Flügel 2.x zeigt die schematische Darstellung Fig. 17. Der Rotor 1, die Stege 9, der
Verstellkörper 13 und der Steuerschieber 10 sind hier als Abwicklung dargestellt. Die Auflauframpe bewirkt das
zwangsweise Einfahren der Flügels 2.x in den Rotor 1. Das hydraulisch angesteuerte Einfahren des Flügels 2.1
und 2.4 erfolgt etwa entsprechend der gestrichelten Linie. Nachdem der Flügel 2.1 bzw. 2.3 den Festflügel 8
überlaufen hat, wird dieser durch die hydraulische Verstellkraft an die Auflauframpe 9a gedrückt, so dass die
Flügel 2.1 und 2.3 entlang der Auflauframpe einfahren.
-
Die Auflauframpe 9c ist eine Sicherheitseinrichtung, sie das zwangsweise Einfahren des Flügels 2 im Falle
des Versagens der hydraulischen Ansteuerung sichert, um eine Zerstörung des Gerätes infolge
Aufeinanderstoßens von Flügel 2 und Festflügel 8 zu vermeiden. Das Einfahren der Flügel 2 muss dagegen hydraulisch
erfolgen.
-
Hinter der den Arbeitsräumen AR1 und AR2 abgewandten Stirnseiten der Flügel 2 befindet sich ein durch
den Flügelquerschnitt und den Flügelhub h bestimmter Raum, der Flügelhubraum benannt sei. Bei der axialen
Bewegung der Flügel muss der Flügelhubraum mit einem anderen Raum verbunden sein, da der Flügel sich
sonst nicht bewegen lässt. Zweckmäßig ist die Verbindung zu Arbeitsraum AR1 oder AR2 durch Bohrungen 2d,
weil dann der Flügel 2 axial druckkraftausgeglichen ist. Nur dann ist die axiale Flügelverstellung mittels kleiner
Flächen der Aussparung 2a oder des Ansatzes 2c möglich.
-
Je höher die Drehzahl, je schneller sich also der Flügel axial bewegen muss, desto größer muss der Durchlass
dieser Bohrungen 2d sein. Je kleiner der Flügelhub h ist, desto höher kann die Drehzahl des Gerätes gewählt
werden.
-
Wie die hydraulische Ansteuerung der axialen Flügelbewegung erfolgt lässt sich anhand Fig. 14 darstellen. Im
Rotor 1 befinden ich, um 90° versetzt vier Steuerbohrungen 1d und 1e, die von einer inneren Bohrung des
Rotors 1, in dem sich der Steuerschieber 10 befindet, zu den Rotorschlitzen 1a führen, in denen die Flügel 2axial verschiebbar angeordnet sind. Die Flügel 2 besitzen an der Innenseite einen Ansatz 2c der gegen die
Unterseite der Schlitze dichtet. Diese Anordnung ist auch in Fig. 1 und der unteren Hälfte dargestellt und ist
zunächst Grundlage des Beschreibung der Wirkungsweise.
-
Auf den Rotor 1 sind von außen eine äußere Lagerbuchse 16 und von innen her eine innere Lagerbuchse 17
aufgeschoben, deren Zungen 16a und 17a zusammen mit den Flügeln 2 und dem Rotorschlitz zwei
Steuerräume SR1 und SR2 bilden in welche die radialen Steuerbohrungen 1d und 1e münden.
-
Wenn die linke Steuerbohrung 1d Druck erhält und die rechte Steuerbohrung 1e druckentlastet ist, so wird
der Flügel 2 bis zum Anschlag nach rechts an die Gleitscheibe 4 bzw. Verstellkörper 13 bewegt und der Flügel 2
schließt. Bei umgekehrter Druckverteilung öffnet der Flügel, d. h. er bewegt sich von der Gleitscheibe 4 bzw.
Verstellkörper 13 weg in den Schlitz des Rotars 1.
-
Die Steuerbohrungen 1d und 1e des Rotors 1 geben mit den Nuten, 10c und 10d, mit den Segmentschlitzen
10a und 10b und Bohrungen 10e und 10f des Steuerschieber 10 die Verbindung mit der Druckseite oder mit
dem Ablauf frei.
-
Zunächst sei ausgeführt in welcher Weise die Ansteuerung des Flügels 2 zu erfolgen hat.
-
Jeder der vier Rotorschlitze 2a weist die schon genannten Steuerbohrungen 1d und 1e auf. Die Stellung die
durch den Festflügel gegeben ist sei mit 0° bezeichnet.
-
Es werde ein Flügel 2 bei seiner Drehung um 180° anhand Fig. 17 betrachtet. Der Flüget 2 befinde sich 45°
vor dem Überfahren des Festflügels 8. Einige Grad nach dieser Stellung (-45°) soll das Einfahren des Flügels 2,
d. h. dessen Zurückfahren in die Rotortrommel, beginnen. Dazu muss wie aus Fig. 14 zu ersehen, Steuerraum
SR1 druckentlastet und Steuerraum SR2 über einen Drehwinkel von knapp 45° druckbelastet werden. Diese
Druckansteuerung des Steuerraumes SR1 geschieht durch das gleichzeitige Überfahren der Steuerbohrung 1d
über die Nut 10c so wie der Steuerbohrung 1e über die Bohrung 10f. Die Breite der Nut 10c und Durchmesser
der Bohrung 1d, so wie die Durchmesser von Bohrung 1e und 10f sind so dimensioniert, dass der Durchfluss
über einen Drehwinkel von knapp 45° offen bleibt. Somit kann Druckmedium aus der Längsbohrung 10g über
die Bohrungen 10f und 1e in den Steuerraum SR2 und der Ausfluss von druckloses Medium aus dem
Steuerraum SR1 über die Bohrung 1d und die Nut 10c über einsprechende Entlastungsbohrung 1l in den druckloser
Raum 1i fließen. Durch die sich dadurch ergebenden Druckverhältnisse öffnet der Flügel 2, d. h. er fährt in den
Schlitz des Rotors 1 ein. Die gestrichelte Linie in Fig. 17 zeigt diese Bewegung. Diese Linie verläuft vor der
Auflauframpe 4c. Wenn bei der weiteren Drehung des Rotors 1 der Flügel 2 den Festflügel 8 überfährt muss der
Flügel 2 wieder gegen die Gleitscheibe 4 bzw. Verstellkörper 13 ausgefahren werden.
-
Wenn der Flügel 2 in seine Endstellung fährt, so sollte die Bewegung des Flügels 2 gedämpft bzw. gebremst
werden. Dies geschieht dadurch, dass die entsprechende Unterkante des Flügels 2, sei es am Ansatz 2c oder
an der Aussparung 2a, je nach Bewegungsrichtung die Bohrung 1d oder 1e zunehmend abdeckt, wodurch der
Durchfluss durch diese Bohrungen gedrosselt und Bewegung des Flügels 2 abgebremst wird.
-
Das Ausfahren des Flügel 2 muss innerhalb eines Winkels kleiner als 45° erfolgen und kann nur entlang der
Auflauframpe 9c erfolgen. Danach muss der Flügel 2 weiterhin über mindestens 90° geschlossen bleiben, weil
von der Druckseite her über den Kanal für Arbeitsmedium 7b an einer Seite des Flügels 2 Druck zugeführt und
an der anderen Seite zur Ablaufseite her über den Kanal für Arbeitsmedium 7c Arbeitsmedium unter
Ablaufdruck abgeführt wird, der Flügel 2 also abdichten muss. Der Winkel über den der Flügel 2 geschlossen werden
bzw. bleiben muss beträgt also 45 + 90 = 135°. Dieser Schließwinkel wird durch die Länge der
Schlitzsegmente 10a und 10b bestimmt. Die Schlitzsegmente 10a werden wieder vorn den Steuerbohrungen 1d und die
Schlitzsegmente 10b von den Steuerbohrungen 1e überfahren, wobei der Durchfluss über einen Drehwinkel
von 135° freigegeben wird. Dann strömt in umgekehrter Richtung Steuermedium in den Steuerraum SR1 und
aus dem SR2, wodurch der Flügel 2 entsprechend Fig. 14 nach rechts verschoben wird. Wie weit dieser nach
rechts verschoben wird, bzw. wie groß der Flügelhub h (Fig. 17) ist, wird durch die Stellung des Verstellkörpers
13 bestimmt.
-
In der Abwicklung Fig. 17 ist der Verlauf der Flügelbewegung in 4 Winkelstellungen von -45° zu 315°
dargestellt. Die rechtstehende Abwicklung zeigt eine Einstellung für einen halben Flügelhub h.
-
Wie wird das für die Steuerung erforderliche Druckmedium oder drucklose Medium bereit gestellt? Fig. 1
gibt hierzu Auskunft. Hierbei ist zu beachten, dass zur Änderung der Drehrichtung Zu- und Ableitung
miteinander vertauscht werden müssen. Deshalb werden für die Bildung des Druckmediums im Steuerkreis sowohl
der Kanal für Arbeitsmedium 7b, wie auch der Kanal für Arbeitsmedium 7c über je ein zum Steuerkreislauf
öffnendes Rückschlagventil 7f an den Steuerkreislauf angeschlossen. Die unter Druck stehende Steuerleitung
7h wirkt auch auf zwei Freikolben 7k (siehe Fig. 1 und 3)die ihrerseits auf die Festflügel 8 wirken und diesen
gegen die Stirnfläche des Rotors 2 dichtend andrücken.
-
Die unter Druck stehende Steuerleitung 7h führt weiterhin einer Bohrung, in welcher der Steuerschieber 10
angeordnet ist und von dort über eine Ringnut 10h des Steuerschiebers 10 der inneren Längsbohrung 10g
Druckmedium zu.
-
Die drucklose Seite des Steuerkreislauf wird über zwei mit den Kanälen für das Arbeitsmedium zum
drucklosen Steuerkreislauf öffnende Rückschlagventile 7g mit unter Ablaufdruck stehendem Arbeitsmedium
gespeist. Von den Rückschlagventilen 7g führen Leitungen 7i drucklosen Raum 11. Von hier aus führen weiterhin
entsprechende Bohrungen oder Nuten zum Steuerschieber 10 oder zum Verstellschieber 15. Auch der Raum
vor dem Austritt des Antriebszapfens ist über eine Leitung 11 an die drucklose Seite angeschlossen.
-
Möglicherweise ist es günstiger die Druckseite des Steuerkreislauf durch eine äußere, von einem
Druckspeicher unter konstanten Druck stehende Leitung, zu speisen. Die drucklose Seite, d. h. der Raum 1i wäre dann an
eine Leckölleitung anzuschließen. In diesem Falle wäre auch die drucklose Seite frei von Druckschwankungen.
-
Mit Hilfe des Steuerkreislaufs erfolgt, wie in Fig. 11 bis 13 dargestellt auch die Versteilung des
Schluckvolumens bzw. des Fördervolumens. Bei Fig. 11 und 12 ist die Verstellung druckabhängig, d. h. leistungsgeregelt. Fig.
11 zeigt eine Verstellung für den Motorbetrieb. Steigender Druck bewirkt hier eine Verstellung zu größerem
Schluckvolumen. Fig. 12 zeigt eine Verstellung für den Pumpenbetrieb. Bei ansteigendem Druck wird hier zu
niedrigerem Fördervolumen verstellt. Die Wirkungsweise wird nachfolgend zunächst anhand Fig. 11
beschrieben.
-
Ein im Gehäuse gelagerter Verstellschieber 15 ragt mit seinem Steuerbund 15a in eine entsprechende
Bohrung des Verstellkörpers 13 in welche seitlich eine Ablaufbohrung 13c eine Überströmbohrung 13b und eine
Druckbohrung 13a münden. Im Anschlussgehäuse 7 ist eine Verstellgröße wirksam, die den Verstellschieber 15
axial verstellt. Fig. 11 ist für den Motorbetrieb, die Verstellgröße die Kraft einer Druckfeder, die mittels
Verstellmutter und Verstellspindel 15e einstellbar ist. In Fig. 12 ist für den Pumpenbetrieb, die Druckfeder so
angeordnet, dass sie bestrebt ist den Verstellschieber 15 aus dem Verstellkörper 13 herauszuziehen. Die
Federkraft ist hier über Zahnstange/Ritzel 15g einstellbar.
-
In Fig. 13 wird der Verstellschieber 15 direkt durch einen Zahnstange-Ritzel-Trieb beispielsweise durch einen
Verteilmotor bewegt, und so die gewünschte Einstellung der Schluckmenge bzw. des Fördervolumen
ermöglicht.
-
Es sei darauf hingewiesen dass zur Verstellung der Schluckmenge keine Verstellkraft zu überwinden ist und
dass damit die Verstelleinrichtung extrem minimiert werden kann.
-
Wie erfolgt nun die Druckregelung? Bie Anschlussleitungen 13a, 13b, 13c sind so angeordnet, dass die
Stirnseite des Verstellschieber 15 drucklos bzw. mit Ablaufdruck beaufschlagt ist und sich zwischen Steuerbund und
Schaft des Verstellschiebers 15 eine Ausdrehung für den Zutritt 13a des Druckmediums befindet. Ist der
Durchmesser des Schaftes größer als der des Steuerbundes, so wirkt auf den Verstellschieber 15 eine zum
Schaft hin gerichtete Stellkraft, die bestrebt ist, die Druckfeder zu verkürzen und den Verstellschieber 15
nach rechts zu bewegen. Dadurch wird die Überströmbohrung 13b freigegeben und es kann Arbeitsmedium
aus dem Verstellraum 14 in den Ablauf strömen, so dass sich der Verstellkörper 13 in Richtung
Anschlussgehäuse 7 verschiebt und die Schluckmenge vergrößert wird. Wenn der Steuerbund die Überströmbohrung 13b
abdeckt kann kein Hµdraulikmedium über die Überströmbohrung 13b in den Verstellraum 14 fließen und Motor
oder Pumpe verstellen.
-
Im Motorbetrieb wirkt die Erhöhung Schluckmenge der Druckerhöhung entgegen und ermöglicht eine
erhöhtes Motordrehmoment.
-
Es sei darauf hingewiesen, da die Stellkraft durch die Durchmesserdifferenz von Bund- zu Schaft-
Durchmesser frei wählbar ist und somit gegenüber herkömmlichen Hydraulikmaschinen sehr kleine Stellfedern
und Stellantriebe verwendet werden können, was auch hier zu einer Minimierung der Masse- und Baugröße
führt.
-
Wird das Gerät als Pumpe betrieben ist eine andere Regelung gefragt. Wird durch betriebsbedingte Einflüsse
der Gegendruck zur Pumpe erhöht, so soll das Fördervolumen verringert werden, um bei dem gegebenen
Antriebsdrehmoment den erforderlichen Druck erzeugen zu können. Diese Zielstellung wird erreicht, wenn der
Schaftdurchmesser geringer als der des Steuerbundes 15a ist. Dadurch wirkt eine nach links gerichtete Kraft
auf den Verstellschieber 15 und bewegt diesen zum Verstellkörper 13 hin und gibt die Überströmbohrung 13a
so frei, dass diese mit der Druckbohrung 13a verbunden ist und somit Druckmedium in den Verstellraum 14
strömt. Dadurch wird ein kleinerer Flügelhub h bewirkt und die Fördermenge verringert. Das Druckniveau kann
wiederum durch die Federvorspannung mittels Ritzel-Zahnstange 15g gesteuert werden.
-
Eine direkte Ansteuerung des Schluckvolumens bzw. Fördervolumens zeigt Fig. 13. Sie ist unabhängig davon
ob das Gerät als Motor oder Pumpe betrieben wird.
-
Die hydraulische Ansteuerung der Flügel muss für Drehrichtungswechsel, für Motor- und Pumpenbetrieb
umgeschaltet werden.
-
Wie schon beschrieben beginnt die Ansteuerung eines Flügels 2 45° vor dem Überfahren des Festflügels 8.
Wenn die Drehrichtung geändert wird, muss auch der Steuerschieber um 45° gegen die neue Drehrichtung
verdreht werden, so dass die Ansteuerung für den Einfahrvorgang des Flügels wiederum 45° vor Überfahren
des Festflügels 8 beginnt. Diese Umsteuerung erfolgt gemäß Fig. 1 automatisch durch den Freikolben mit
Verzahnung 11 nach Fig. 1. Diese Umstellung spricht also auf die Druckumschaltung im Kanal für Arbeitsmedium
7b an. Diese Umstellung versagt jedoch bei Umstellung von Motor- auf Pumpenbetrieb weil dann bei bleibender
Drehrichtung sich die Druckverhältnisse in den Kanälen für das Arbeitsmedium ändern. Deshalb erscheint eine
willkürlich von außen, beispielsweise durch ein mechanisches Stellglied, z. B. eine mit Nocken betätigte
Zahnstange 11a, erfolgende Verstellung sinnvoller. Diese Stellglied kann natürlich auch elektromagnetisch oder
hydraulisch angesteuert werden.
-
Fig. 3 und Fig. 14 zeigen noch eine weitere Besonderheit des Steuerschiebers 10. Gibt eine
Feststelleinrichtung, beispielsweise ein Nocken 18 den Steuerschieber 10 axial frei, so bewegt sich dieser (siehe Pfeil in Fig. 14)
nach rechts und die Ringnut 10h des Steuerschiebers 10 verbindet die Steuerbohrung 10e mit dem
Druckmedium der Zentralbohrung 10g, das Druckmedium wirkt auf den Ansatz 2c des Flügels 2 und verschiebt diesen
nach links, weil die rechte Seite des Ansatzes durch die Verschiebung des Steuerschieber 10 nach rechts mit
dem drucklosen Steuerraum SR1 verbunden ist. Auch bei drehendem Rotor, bleibt der Flügel 2 ständig
eingefahren. Die Pumpe fördert nicht der Motor hat kein Drehmoment, setzt einer Drehung seiner Antriebswelle
auch keinen Widerstand entgegen.
-
In Fig. 15 bei der Ausführung, deren Flügel 2 eine Aussparung 2a aufweist muss der Steuerschieber für die
Neutralstellung nach links verschoben werden wie der Pfeil in Fig. 15 zeigt.
-
Es ist die Eigenart der Axialflügelmaschine, dass, auch wenn sie unter Belastung arbeitet, keine Querkraft auf
die Flügel 2 ausgeübt wird wenn diese axial verschoben werden. Es bedarf also keiner Vorkehrungen um eine
Verkantung oder erhöhte Reibung zu vermeiden. Anders verhält es sich bei der Verstellung des Flügelhub h
bzw. Fördervolumen oder Schluckmenge durch Verstellen des Verstellkörper 13.
-
Um auch während der Verstellung des Flügelhubs h Reibung an den Flügeln weitgehend zu vermeiden, sind,
wie Fig. 6 und 7 zeigen an den Flügeln entsprechende Bohrungen und Taschen angebracht. Das austauchende
Ende des Flügel 2 weist auf beiden Seiten mehrere in der Höhe und Tiefe gestaffelte seitliche Bohrungen 2e;
2f auf, die in axiale Bohrungen einmünden, die sich einerseits zu einer Tasche 2g der gegenüberliegenden Seite
des Flügels und weiter hinten in eine schmälere Tasche 2h auf der gleichen Seite des Flügels verzweigen. Die
Bohrungen die von der vorderen Seite ausgehen sind mit 2e, die gegenüberliegenden mit 2f bezeichnet. Die
mittleren, mit der gegenüberliegenden Seite verbundenen breiten Taschen 2g, haben eine größere Fläche als
die weiter hinten liegenden, mit der gleichen Seite verbundenen schmalen Taschen 2h.
-
Wenn der Flügel 2 aus der Rotortrommel ausfährt so werden nacheinander die auf der Druckseite liegende
Ausgangsbohrungen dar Bohrungen 2e bzw. 2f freigegeben, der Druck wirkt auf die gegenüberliegenden
breiten Taschen 2f und die auf der gleichen Seite liegenden schmalen Taschen und erzeugen eine der Fläche
entsprechende Druckkraft. Die Abstände der Bohrungsausgänge, der breiten und schmalen Taschen 2g und 2h
und die Größe der Flächen der Taschen sind so gewählt, dass, wie in Fig. 8 dargestellt, die durch den
hydraulischen Druck auf den Flügel 2 bewirkten Kräfte und Momente im Gleichgewicht sind.
-
Fig. 1 weist gegenüber der Ausführung nach Fig. 3 eine Besonderheit auf. An der dem Lagerdeckel
zugewandten Seite der Rotortrommel ist eine Abdeckscheibe 1f angebracht. Diese muss fest und dicht mit der
Trommel verbunden sein, weit die Ausgleichsbohrungen 1g durch die Abdeckscheibe 1f hindurchgehen. Die
Taschen 1h sind an der dem Lagerdeckel zugewandten Seite der Abdeckscheibe 1f eingearbeitet.
-
Die Abdeckscheibe 1f ermöglicht eine besseres Gleiten als die Trommelstirnfläche auf dem Lagerdeckel 3,
und ist aber Voraussetzung für die Anordnung von kleinen Druckfedern 1k. Mit Hilfe dieser Druckfedern wird
das Anlegen der Flügel 2 an die Gleitscheibe 4 bzw. an den Verstellkörper 13 auch dann sichergestellt, wenn im
Gerät noch kein Arbeitsdruck wirksam ist.
-
Die hydraulische Ansteuerung der Flügel 2 kann durch unterschiedliche Ausbildung der Innenfläche der Flügel
erfolgen. In Fig. 14 und 15 sind zwei Beispiele angeführt. In Fig. 14 besitzt der Flügel 2 innen einen Ansatz 2c
und in Fig. 15 eine Aussparung 2a. Beide Flügelformen bedingen unterschiedliche Anordnungen der
Steuerbohrungen 1d und 1e und Schlitzsegmente 10a und 10b bzw. der Bohrungen 10e und 10f im Steuerschieber 10.
Der Hauptunterschied zwischen den beiden Flügelformen besteht darin, dass beim Flügel mit Ansatz dem
linken Steuerraum SR1 Druck zugeführt und der rechte Steuerraum SR2 drucklos werden muss, wenn sich der
Flügel 2 an die Gleitscheibe 4 anlegen soll. Bei der Flügelform mit Aussparung ist es gerade umgekehrt. Dem
entsprechend vertauschen sich am Steuerschieber 10 die Schlitzverbindungen mit den drucklosen
Steuerräumen mit den Bohrungen zur zentralen Bohrung 10g des Steuerschiebers 10. Wie in den Fig. 14 und 15
dargestellt kann durch eine axiale Verschiebung die Ansteuerung der Flügel neutralisiert werden, d. h. die Flügel 2
bleiben in der Rotortrommel eingefahren. Bei der Ausführung nach Fig. 14 erfolgt durch Verschieben des
Steuerschiebers nach rechts, z. B. durch Freigabe durch einen Nocken 18 ggf. unterstützt durch eine
innenliegende Druckfeder 10k. Bei der Ausführung nach Fig. 15 muss der Steuerschieber durch den Nocken 8 nach
links verschoben werden.
-
Bei der Ausführung des Flügels mit Aussparung 2a gleitet der Flügel in einer im Rotor eingearbeiteten Nut,
die bis zum Ende des Flügelhubs h reicht. Das Ende dieser Nuten wird durch die fest aufgebrachten,
beispielsweise aufgeschrumpften, Lagerbuchsen 16' und 17' bestimmt. Dadurch, dass sich der Flügel 2 seitlich an die
Nut anlehnen kann, wird das Dichtverhalten des Flügel verbessert. Ferner wird durch das kraftschlüssige
Anlegen des Flügels 2 an den Zylinder 5 infolge des an der Innenseite des Flügels in der Aussparung 2a wirkenden
Steuerdrucks der Dichtspalt zwischen Flügel und Zylinder optimiert, was wiederum zu einer Verbesserung des
Wirkungsgrad der Maschine beiträgt.
-
Der Flügel 2 ist das einzigste oszillierende Teil der Axialflügelmaschine. Dieser muss wie schon beschrieben,
entweder hydraulisch oder (nur beim Einfahren) durch die Auflauframpe 4c/9c und im Falle der Anordnung
von Druckfedern hinter den Flügeln 2 gemäß Fig. 1 durch die Federkraft bewegt werden. Eine Nachrechnung
zeigt dass bei den infrage kommenden Betriebsdaten die Betätigungskraft zwischen 10 und 40 N schwankt.
Diese Kräfte scheinen beherrschbar. Trotzdem kann es auch vorteilhaft sein die Flügel 2 z. B. aus Keramik
herzustellen, das leichter und verschleißfester ist. Die auf den Flügel 2 wirkende Tangentialkraft, die durch die
Höhe und den Hub des Flügels 2 und den wirkenden Druck bestimmt wird, übt auf die Querschnittsfläche des
Flügels 2 eine Schubspannung aus. Die Biegespannung wird durch die im Abstand des halben Hubs angreifende
Tangentialkraft bestimmt. Beide Spannungen sind so, niedrig dass keine Bedenken gegen die Verwendung von
Keramikbaustoffen bestehen dürften.
-
Für die Maschine nach Fig. 1 wurde eine Flanschbefestigung gewählt. Da auf den Rotor funktionsbedingt
keine radialen Kräfte wirken, erscheint ein Wälzlager nicht erforderlich.
-
Für die Ausführung nach Fig. 3 ist eine Fußbefestigung gewählt. Hier wurde ein Wälzlager für mögliche
äußere radiale Kräfte vorgesehen.
-
Für den Anschluss der Rohre wurde von den gebräuchlichen Rohr- bzw. Flanschanschlüssen abgegangen, weil
bei der minimierten Bauweise der Axialflügelmaschine diese unverhältnismäßig groß ausfallen würden. Daher
wurde eine relativ unbekannte, jedoch schon früher angewandte Lösung gemäß Fig. 1b gewählt. Diese
Ausführung ist in Fig. 18a noch gesondert dargestellt. Das abzudichtende Rohrende ist etwas abgedreht und auf das
abgedrehte Ende ist ein Stützring 12c, ein Backring 12b und dann ein Rundring 12a aufgeschoben. In einem
bestimmten Abstand zum abgedrehten Ende ist noch ein Ringnut eingestochen in welchen ein Sprengring
eingelegt werden kann. Dieser kann sich auf einen dahinter angeordneten und z. B. durch Schrauben am Gerät
befestigten Flansch abstützen.
-
Die Lösung erfordert ein relativ dickwandiges Hydraulikrohr und eine spanende Bearbeitung des Rohrendes.
Eine möglicherweise zweckmäßigere Lösung zeigt Fig. 18b. Hier wird das Rohrende eingerollt, ein einfacher
Flansch aufgeschoben und danach ein Ringstück 12d aufgerollt bzw. aufgepresst. Auf das vor dem
aufgepressten Ringstück befindliche zylindrische Rohrende wird wie bei Fig. 18a ein Stützring 12c, ein Backring 12b
und ein Rundring 12a aufgeschoben. Die Anwendung eines Backrings ist bei höheren Drücken vorteilhaft.
-
Es ist einer der Erfindungsgedanken, die Axialbewegung des Flügels 2 hydraulisch anzusteuern. Da die
erforderliche Kraft zur axialen Bewegung des Flügels 2 aber recht gering ist, kann es u. U. vorteilhaft sein, auf die
hydraulische Ansteuerung zu verzichten und damit die Ansteuerung der Flügelbewegung unabhängig von den
Drehrichtung und vom Pumpen- oder Motorbetrieb zu machen. Die Öffnungskraft könnte dann durch
Federkraft der Druckfeder 1k und/oder durch eine ständig an einer Steuerfläche anliegenden Hydraulikdruck
erfolgen.
-
Fig. 19 zeigt eine derart vereinfachte Ausführung einer Axialflügelmaschine. Hier wird der Steuerdruck der
Axialflügelmaschine direkt über die Steuerleitung 29 zugeführt und die drucklose Seite direkt über die
Steuerleitung 20 an den Tank angeschlossen. An der Steuerfläche des Flügels 2 liegt der Steuerdruck ständig an.
Aus Fig. 19 ist zu erkennen, dass der Aufbau der Axialflügelmaschine dadurch wesentlich vereinfacht wird.
Bei der verstellbaren Ausführung trifft der Flügel 2 bei verkürztem Flügelhub h jedoch hart auf die
Auflauframpe 9c.
-
Bei den verschiedenen Anwendungsfällen muss in der Praxis die günstigste Ausführung der
Axialflügelmaschine jeweils herausgefunden werden.
Aufstellung der Bezugszeichen
1 Rotor
1a Rotorschlitze
1b Antriebszapfen
1c innerer Zapfen
1d Bohrung
1e Bohrung
1f Abdeckscheibe
1g Ausgleichsbohrung
1h Taschen
1i druckloser Raum
1k kl. Druckfeder
1l Entlastungsbohrung
2 Flügel
2a Aussparung
2b Längsbohrung
2c Ansatz
3 Lagerdeckel
3a Ausdrehung
4 Gleitscheibe
4a Ausdrehung
4b Schlitze f. Festflügel
4c Auflauframpe
5 Zylinder
6 Flansch
7 Anschlussgehäuse
7a Ansatz
7b Kanal f. Arb.med.
7c Kanal f. Arb.med.
7d Steuerbohrung
7e Rohrleitung
7f Rückschlagventil D
7g Rückschlagventil A
7h Drucksteuerltg.
7l drucklose St.Ltg.
7k Freikolben
8 Festflügel
9 Stege
9a Kanal
9b Kanal
9c Auflauframpe
9d Schlitz f.Festfl.
10 Steuerschieber
10a Segmentschlitz
10b Segmentschlitz
10c Auflaufschlitz
10d Nut
10e Bohrung
10f Bohrung
10g Zentralbohrung
10h Ringnut
10i Nocken
10k Feder
11 Freikolben mit Verzahnung
11a Zahnstange mit Nocken
12 Rohrleitung
12a Rundring
12b Backring
12c Stützring
13 Verstellkörper
13a Druckbohrung
13b Überströmbohrung
13c Auflaufbohrung
13d Rückschlagventil
13e Druckfeld
13f Ablauffeld
14 Verstellraum
15 Verstellschieber
15a Steuerbund
15b Druckraum
15c Ablaufraum
15d Stellspindel
15e Stellmutter
15f Druckfeder
15g Ritzel-Zahnstange
16 äußere Lagerbuchse
16a Zunge
16' Lagerbuchse
17 innere Lagerbuchse
17a Zunge
17' Lagerbuchse
18 Nocken
19 Steuerleitung, Druck
20 Steuerleitung, Tank
AR Arbeitsräume
AR1 Arbeitsraum
AR1' Arbeitsraum
AR2 Arbeitsraum
AR2' Arbeitsraum
SR1 druckloser Steuerraum
SR2 Druck-Steuerraum