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Die
Erfindung betrifft eine hydraulische Maschine mit einem ersten Abschnitt,
der als Verdrängungsabschnitt
ausgebildet ist, einem zweiten Abschnitt mit einem rotierenden Element
und dazwischen einer Kardanwelle, die einen Korpus mit einem Mittelabschnitt
und an mindestens einem Ende eine Verzahnung mit Zähnen und
Nuten aufweist.
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Eine
derartige hydraulische Maschine ist beispielsweise aus
US 3 801 239 bekannt. Der erste Abschnitt
weist als Verdrängungselement
ein Zahnrad auf, das in einem Zahnrad rotiert und orbitiert. Die Kardanwelle überträgt die rotierende
Bewegung des Zahnrades auf ein rotierendes Element, das hier als Steuerschieber
ausgebildet ist. Der Steuerschieber sorgt dafür, daß den einzelnen Drucktaschen,
die zwischen dem Zahnrad und dem Zahnring ausgebildet sind, positionsrichtig
Hydraulikflüssigkeit
unter Druck zugeführt
wird.
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US 3 547 563 zeigt eine ähnliche
Maschine, die als Motor ausgebildet ist. Hier weist das rotierende
Element nicht nur den Ventilschieber auf, sondern auch eine Ausgangswelle,
auf die die Rotationsbewegung des Zahnrades mit Hilfe der Kardanwelle übertragen
wird.
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Kardanwellen
derartiger Maschinen werden üblicherweise
auch als "Hundeknochen" oder "dog bone" bezeichnet. Sie
weisen in vielen Fällen
an beiden axialen Enden eine Durchmesservergrößerung auf, in der die Verzahnung
ausgebildet ist. Der Korpus, also der Bestandteil der Kardanwelle
zwischen den beiden Verzahnungen, ist vergleichsweise dünn. Wenn
nun zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt größere Momente
auftreten, kann dies zu einer Torsion der Kardanwelle führen, die
beispielsweise dann, wenn der zweite Abschnitt als Steuerabschnitt
ausgebildet ist, einen nachteiligen Einfluß auf das Steuerungsverhalten
hat. Die Kommutierung stimmt dann nicht mehr, was einen entsprechenden
Leistungsverlust der Maschine zur Folge hat.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Steuerverhalten zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird bei einer hydraulischen Maschine der eingangs genannten
Art dadurch gelöst,
daß sich
die Nuten in Axialrichtung bis in den Korpus erstrecken und zwischen
der Verzahnung und dem Mittelabschnitt ein Übergangsabschnitt angeordnet
ist, dessen Durchmesser zur Verzahnung hin abnimmt.
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Mit
dieser Ausgestaltung kann man den Korpus der Kardanwelle vergleichsweise
dick belassen, also mit einem großen Durchmesser. Beim Herstellen der
Nuten zwischen den Zähnen
ist es dann unvermeidlich, daß man
auch in den Korpus eingreift. Dies wiederum hat zur Folge, daß der Korpus
in dem Bereich der Nuten, der außerhalb der eigentlichen Verzahnung
angeordnet ist, eine Schwächung
der Kardanwelle bewirkt. Man kann daher in diesem Bereich, der als "Übergangsabschnitt" bezeichnet wird,
Material entfernen, weil dieses Material zwischen den Nuten ohnehin
nicht zur mechanischen Stabilisierung der Kardanwelle beitragen
kann. Der verminderte Durchmesser der Kardanwelle wird dann auf
einen Bereich beschränkt,
der in Axialrichtung relativ kurz ist. Dies hält das Risiko von Torsions-Verformungen klein.
Darüber
hinaus läßt sich
eine derartige Kardanwelle relativ einfach fertigen. Ein Rohling,
der hierzu verwendet werden kann, muß nicht mehr die bislang immer
verwendete große
Durchmesservergrößerung im
Bereich der Verzahnung aufweisen. Dementsprechend läßt sich
der Rohling für
eine derartige Kardanwelle beispielsweise dadurch fertigen, daß man ein zylinderförmiges Stangenmaterial
an seinen Enden staucht und dadurch die Durchmesservergrößerung bewirkt.
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Vorzugsweise
sind die Nuten durch Fräsen und
der Übergangsabschnitt
durch Drehen hergestellt. Das Fräsen
erfolgt in vielen Fällen
durch einen Scheibenfräser,
der parallel zur Achse der Kardanwelle geführt wird und ein Profil aufweist,
das dem Profil der Zahnflanken entspricht. Der Fräser kann bei
der axialen Bewegung noch in geringem Umfang radial auswärts und
radial einwärts bewegt
werden. Damit der Fräser
eine Nut in der Verzahnung über ihre
volle axiale Länge
fräsen
kann, muß zumindest ein
Teil dieses Fräsers
in Axialrichtung über
den Zahn hinaus geführt
werden. Dabei erzeugt er Nuten oder Rillen, die sich bis in den
Korpus hinein erstrekken. In diesem Bereich hat der Korpus dann
ohnehin einen verringerten wirksamen Querschnitt, so daß man im Übergangsabschnitt
durch Abdrehen das Material zwischen den dort verbleibenden Nuten
entfernen kann. Das Material zwischen den Nuten im Übergangsabschnitt
muß dabei
nicht vollständig
entfernt werden. Man kann vielmehr zulassen, daß die Nuten jedenfalls zum
Teil sichtbar bleiben.
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Vorzugsweise
erstrecken sich die Nuten über
den Übergangsabschnitt
hinaus bis in den Mittelabschnitt. Durch das Abdrehen wird der Querschnitt
dann nicht allzu sehr verringert und dementsprechend die Kardanwelle
nicht nennenswert geschwächt.
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Vorzugsweise
weist der Übergangsabschnitt eine
im Längsschnitt
konkave oder konische Form auf. Bei einer konkaven Form folgt man
prinzipiell der Außenkontur
des Fräsers,
wenn dieser als Scheibenfräser
ausgebildet ist. Man folgt also dem Nutgrund im Übergangsabschnitt, auch wenn
man die Nuten im Übergangsabschnitt
nach wie vor sichtbar lassen kann. Wenn der Radius dieser konkaven
Form relativ groß ist,
kann man auch in eine konische Form übergehen. Der Unterschied ist
dann technisch nur noch in geringem Umfang merkbar. Auch bei einer
konischen Form kann man dafür
sorgen, daß die
Tiefe der Nuten im Übergangsabschnitt
annähernd
konstant bleibt.
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Vorzugsweise
weist die Kardanwelle an beiden Enden jeweils eine Verzahnung auf
und ist axialsymmetrisch aufgebaut. Mit anderen Worten ist sie spiegelsymmetrisch
zu einer Ebene, die in der axialen Mitte der Kardanwelle senkrecht
auf ihrer Achse steht. Dies vereinfacht die Fertigung. Man kann
die beiden Verzahnungen durch die gleichen Werkzeuge herstellen.
Auch beim Zusammenbau der Maschine muß man nicht mehr darauf achten,
daß man
die Kardanwelle mit der richtigen Richtung montiert. In diesem Fall
kann es vorteilhaft sein, die die Kardanwelle umgebenden Teile,
insbesondere den Ventilschieber, mit einer konischen Öffnung zu
versehen.
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Alternativ
dazu kann vorgesehen sein, daß die
Kardanwelle einen konischen Korpus aufweist. In diesem Fall wird
bei ihrer Herstellung so wenig Material wie möglich entfernt. Die Kardanwelle
bleibt also außerordentlich
stabil.
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Vorzugsweise
ist der Mittelabschnitt zylinderförmig ausgebildet. Er bedarf
also keiner Bearbeitung, wenn man von einem Härten absieht. Dies vereinfacht
die Herstellung.
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Vorzugsweise
greift die Kardanwelle an einem Ende eines Verdrängungselements an, das dem zweiten
Abschnitt benachbart ist. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, daß man die
gleiche Kardanwelle für
hydraulische Maschinen verwenden kann, deren Verdrängungsabschnitte
unterschiedlich groß sind.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß die Kardanwelle bei ansonsten
vergleichbaren Maschinen kürzer
gemacht werden kann. Damit ist sie auch stärker und steifer und widerstandsfähiger gegen
Torsi onsbeanspruchungen, so daß das
Kommutierungsverhalten verbessert werden kann.
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Hierbei
ist bevorzugt, daß der
erste Abschnitt und der zweite Abschnitt durch eine Kanalplatte
voneinander getrennt sind, wobei die Kanalplatte im Bereich des Übergangsabschnitts
angeordnet ist. Man nutzt dabei den Umstand, daß die Kardanwelle genau in
dem Bereich, wo sie durch die Kanalplatte geht, einen verringerten
Durchmesser aufweist. Mit anderen Worten nutzt man hier den Übergangsabschnitt
für die
Durchführung,
weil hier Material von der Kardanwelle entfernt worden ist, um an
der Kanalplatte vorbeizukommen, weil hier schon der kleinste Durchmesser
der Kardanwelle vorhanden ist.
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Vorzugsweise
weist das rotierende Element eine längliche Ausnehmung auf, in
die die Kardanwelle eingesetzt ist, wobei sich die Ausnehmung zum ersten
Abschnitt hin konisch erweitert. Im Stand der Technik ist es bekannt
(siehe z.B.
US 3 547 563 )
die Kardanwelle konisch auszugestalten, so daß immer eine Seite parallel
zur Achse des rotierenden Elements liegt. Dies hat allerdings den
Nachteil, daß man
die Kardanwelle in erheblichem Umfang schwächt. Bei der vorliegenden Ausgestaltung
entfernt man hingegen das notwendige Material aus dem inneren des
rotierenden Elements. Dies ist ohne weiteres möglich, weil dieser Bereich
ohnehin nur wenig belastet ist. Die Kardanwelle greift in dem rotierenden
Element jenseits dieses konischen Abschnitts an. Der konische Abschnitt
dient dann an seiner Außenseite
beispielsweise nur noch zur Steuerung der Kommutierung.
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Hierbei
ist bevorzugt, daß die
Ausnehmung im Bereich ihrer Öffnung
einen nach innen ragenden Ringbund aufweist, der in den Übergangsabschnitt eingreift.
Damit kann man eine Art Sicherung gegen eine Axialverschiebung der
Kardanwelle gegenüber dem
rotierenden Element bilden. Darüber
hinaus wird das rotierende Element an seiner Stirnseite mit einer
größeren Fläche versehen,
so daß es
sich auf einem Gleitlager in Axialrichtung besser abstützen kann.
Die Belastung des Lagers wird vermindert.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:
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1 eine
hydraulische Maschine im Längsschnitt
in schematischer Darstellung,
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2 eine
Kardanwelle,
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3 die
Kardanwelle nach 2 mit einem Längsschnitt
durch die Zähne
und
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4 die
Kardanwelle nach 2 mit einem Längsschnitt
durch die Nuten.
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1 zeigt
eine hydraulische Maschine 1 mit einem ersten Abschnitt 2,
der als Verdrängungsabschnitt
ausgebildet ist. Der erste Abschnitt 2 weist ein Zahnrad 3 auf,
das in einem Zahnring 4 rotiert und orbitiert. Dabei werden
Drucktaschen 5 gebildet, aus der im Pumpenbetrieb Hydraulikflüssigkeit
unter Druck verdrängt
wird, während
die Drucktaschen 5 im Motorbetrieb durch von außen zugeführte Hydraulikflüssigkeit
unter Druck gefüllt
werden, um das Zahnrad 3 gegenüber dem Zahnring 4 rotieren
und orbitieren zu lassen.
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Ein
zweiter Abschnitt 6 ist als Steuerabschnitt ausgebildet.
Er weist einen rotierenden Steuerschieber 7 auf, der an
seiner Oberfläche
nur schematisch dargestellte Nuten 8, 9 aufweist,
die mit Steueröffnungen 10, 11 in
einem Steuergehäuse 12 in Überdeckung
kommen, wenn sich der Steuerschieber 7 dreht. Zwischen
dem ersten Abschnitt 2 und dem zweiten Abschnitt 6 ist
eine Kanalplatte 13 angeordnet, die für jeden Zahnzwischenraum im Zahnring 4 einen
Kanal 14 aufweist, durch den Hydraulikflüssigkeit
vom ersten Abschnitt 2 zum zweiten Abschnitt 6 oder
umgekehrt gelangen kann.
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Die
hydraulische Maschine weist eine erste Stirnplatte 15 auf,
die den ersten Abschnitt 2 auf der der Kanalplatte 13 gegenüberliegenden
Seite begrenzt, und eine zweite Stirnplatte 16, die den
zweiten Abschnitt 6 an der der Kanalplatte 13 gegenüberliegenden
Seite begrenzt. In der zweiten Stirnplatte 16 ist ein Lager 17 angeordnet,
in dem der Steuerschieber 7 drehbar gelagert ist. Der Steuerschieber 7 setzt
sich in einer Welle 18 fort, mit der die hydraulische Maschine 1 im
Motorbetrieb ein Drehmoment nach außen übertragen kann.
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Zwischen
dem Zahnrad 3 und dem Steuerschieber 7 ist eine
Kardanwelle 19 angeordnet, die anhand der 2 bis 4 näher beschrieben
werden soll.
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Die
Kardanwelle 19 weist einen Korpus 20 mit einem
zylindrischen Mittelabschnitt 21 auf. An ihren beiden Enden
weist die Kardanwelle 19 jeweils eine Verzahnung 22, 23 auf.
Zwischen dem Mittelabschnitt 21 und jeder Verzahnung 22, 23 ist
ein Übergangsabschnitt 24, 25 angeordnet,
dessen Durchmesser vom Mittelabschnitt 21 zur Verzahnung 22, 23 jeweils
abnimmt.
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Die
Verzahnungen 22, 23 haben einen Außendurchmesser,
der hier um etwa 4 % größer ist
als der größte Durchmesser
des Mittelabschnitts 21.
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Die
Verzahnungen 22, 23 werden durch Fräsen gebildet.
Hierzu wird beispielsweise ein rotierender Scheibenfräser parallel
zur Achse 26 der Kardanwelle von einem stirnseitigen Ende
in Richtung auf den Mittelabschnitt 21 bewegt. Dieser Scheibenfräser erzeugt
dabei jeweils eine Nut 27. Diese Nut 27 setzt
sich mit einem Abschnitt 27a im Übergangsabschnitt 24, 25 fort.
Ein Abschnitt 27b der Nut setzt sich sogar in den Mittelabschnitt 21 fort.
Allerdings ist dieser Abschnitt 27b außerordentlich kurz.
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Nach
dem Herstellen der Zähne
wird die Kardanwelle 19 in den Übergangsabschnitten 24, 25 abgedreht
und zwar, wie dies aus den 3 und 4 ersichtlich
ist, so, daß die Übergangsabschnitte 24, 25 entweder
eine konische Form oder eine konkave Form haben. Der Radius der
konkaven Form ist dabei etwa doppelt so groß wie der Durchmesser des Mittelabschnitts 21 der
Kardanwelle 19.
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Beim
Herstellen der Nuten 27 kann der Fräser, wie dies beispielsweise
aus 4 zu erkennen ist, auch geringfügig radial
nach außen
und nach innen bewegt werden.
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Eine
so hergestellte Kardanwelle 19 ist auf dem größten Teil
ihrer axialen Länge
mit einem relativ großen
Querschnitt versehen und damit entsprechend torsionssteif und belastbar.
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Wie
aus 1 zu erkennen ist, greift die Kardanwelle 19 am
Zahnrad 3 in einem Abschnitt an, der der Kanalplatte 13 benachbart
ist. Dies hat den Vorteil, daß man
die gleiche Kardanwelle 19 verwenden kann, unabhängig davon,
welche Erstreckung der erste Abschnitt 2 in Axialrichtung
hat. Man kann also für
unterschiedliche hydraulische Maschinen 1, also Maschinen
mit unterschiedlicher Verdrängung,
die gleiche Kardanwelle 19 verwenden. Darüber hinaus ist
die Kardanwelle 19 kürzer
als in einer Ausgestaltung, bei der sie am anderen Ende des Zahnrades 3 angreifen
würde.
Dies hat den Vorteil, daß die
Kardanwelle 19 bei ansonsten unveränderten Bedingungen kürzer und
damit torsionssteifer gemacht werden kann.
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Der
Steuerschieber 7 weist eine Ausnehmung 28 auf,
in die die Kardanwelle 19 eingesetzt ist. Diese Ausnehmung 28 weitet
sich konisch in Richtung auf den ersten Abschnitt 2 hin
auf. Dies hat den Vorteil, daß man
die Kardanwelle 19 nicht schwächen muß. Ein Bereich 29 des
Steuerschiebers 7, der diese Ausnehmung 28 umgibt,
muß ohnehin
keine großen
Kräfte
mehr übertragen,
weil die Kardanwelle jenseits dieses Bereichs 29 an dem
Steuerschieber 7 angreift.
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Der
Steuerschieber 7 weist im Bereich seiner stirnseitigen Öffnung einen
Ringbund 30 auf, der sich radial etwas nach innen erstreckt
und in den Übergangsabschnitt 25 der
Kardanwelle 19 eingreift.
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Der Übergangsabschnitt 25 ist
dort angeordnet, wo sich die Kanalplatte 13 befindet. Man
nutzt also den Bereich der Kardanwelle 19 aus, an dem Material
entfernt worden ist, um die Kardanwelle 19 durch die Kanalplatte 13 hindurchzuführen.
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Die
Kanalplatte 13 kann dadurch im Bereich der Kardanwelle 19 mit
einem kleineren Innendurchmesser versehen werden. Mit anderen Worten
ist das "Loch" kleiner, durch das
die Kardanwelle geführt
ist. Hierzu kann die Kanalplatte 13 beispielsweise mit
einem im Querschnitt L-förmigen
Schenkel nach innen geführt
werden. Dieser Schenkel kann dann gleichzeitig dazu verwendet werden,
um den Zahnsatz 3; 4 abdichten zu können. Da
eine derartige Abdichtung ohnehin erforderlich ist, nutzt man sie
genau an der Position, wo Material von der Kardanwelle 19 entfernt worden
ist.
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Die
in Axialrichtung aufeinanderfolgenden Abschnitte der hydraulischen
Maschine, also die erste Stirnplatte 15, der erste Abschnitt 2,
die Kanalplatte 13, der zweite Abschnitt 6 und
die zweite Stirnplatte 16 sind durch mehrere Bolzen 31 zusammengehalten,
von denen aus Gründen
der Übersicht
nur einer dargestellt ist.