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Die
Erfindung betrifft eine hydrostatische Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise,
mit einer um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Zylindertrommel,
wobei die Zylindertrommel mit Zylinderbohrungen versehen ist, in
denen jeweils ein Kolben längsverschiebbar
gelagert ist, und die Kolben mittels jeweils eines Gleitelements,
insbesondere eines Gleitschuhs, an einer Schrägscheibe abgestützt sind.
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Bei
derartigen, als Schrägscheibenmaschinen
ausgebildeten hydrostatischen Axialkolbenmaschinen bilden die Kolben
mit der Zylinderbohrung einen von Druck beaufschlagten Zylinderraum.
Hieraus entsteht eine in Kolbenlängsachse
gerichtete Kolbenkraft, die über
den Gleitschuh an der Schrägscheibe
abgestützt
ist. An einem Gleitschuhgelenk zwischen dem Kolben und dem Gleitschuh
entsteht hierbei eine Querkraft, die ein Drehmoment um die Rotationsachse
der Axialkolbenmaschine erzeugt.
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Da
bei derartigen Schrägscheibenmaschinen
das zwischen dem Kolben und dem Gleitschuh ausgebildete Gleitschuhgelenk
von dem äußeren Abstützpunkt
des Kolbens in der Zylinderbohrung in Längsrichtung des Kolbens beabstandet
ist, entsteht weiterhin ein den Kolben beaufschlagendes Kippmoment.
Das Kippmoment und die Querkraft werden hierbei über ein an dem Kolben angreifendes
Kräftepaar
abgestützt,
das von einer schrägscheibenseitigen
Abstützkraft
und einer zylinderbohrungsseitigen Abstützkraft gebildet ist. Die schrägscheibenseitige Abstützkraft
greift hierbei am äußeren Abstützpunkt des
Kolbens in der Zylinderbohrung und somit am äußeren Ende der Führungslänge des
Kolbens in der Zylinderbohrung an. Die zylinderbohrungsseitige Anstützkraft
greift am inneren Abstützpunkt
des Kolbens in der Zylinderbohrung und somit am inneren Ende der
Führungslänge des
Kolbens in der Zylinderbohrung an. Diese Abstützkräfte erhöhen die Reibung zwischen dem
Kolben und der Zylinderbohrung, wodurch sich der Wirkungsgrad der
Schrägscheibenmaschine
verschlechtert.
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Durch
das den Kolben beaufschlagende Kippmoment entsteht darüber hinaus
ein Spalt zwischen dem Kolben und der Zylinderbohrung, durch den
Druckmittel von dem Zylinderraum in das Gehäuse strömt. Durch diese Spaltströmung entsteht
eine der Querkraft entgegengerichtete hydrostatische Kraft, die
an dem Kolben in der Mitte der Führungslänge des
Kolbens in der Zylinderbohrung angreift.
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Durch
diese hydrostatische Kraft wird hierbei die schrägscheibenseitige Abstützkraft
entlastet und gleichzeitig die zylinderbohrungsseitige Abstützkraft erhöht. Durch
die aus der Spaltströmung
entstehende hydrostatische Kraft und insbesondere die dadurch bedingte
Zunahme der zylinderbohrungsseitigen Abstützkraft wird jedoch die Reibung
der Axialkolbenmaschine erhöht,
wodurch sich der Wirkungsgrad der Schrägscheibenmaschine verschlechtert. Zudem
nimmt hierdurch der Verschleiß an
der inneren, zylinderraumseitigen Stirnfläche des Kolbens zu, an dem
die zylinderbohrungsseitige Abstützkraft
angreift.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydrostatische
Axialkolbenmaschine der eingangs genannten Gattung zur Verfügung zu stellen,
die hinsichtlich des Wirkungsgrades und des Verschleißverhaltens
verbessert ist.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
zwischen dem Kolben und der Zylinderbohrung mindestens eine Ringnut
ausgebildet ist, die im Bereich der inneren Hälfte der Führungslänge, insbesondere der minimalen
Führungslänge, des Kolbens
in der Zylinderbohrung angeordnet ist. Im Bereich der Ringnut entsteht
hierbei keine hydrostatische Kraft, so dass sich die hydrostatische
Kraft lediglich in der äußeren Hälfte der
Führungslänge aufbaut.
Dadurch ist gegenüber
Schrägscheibenmaschine
des Standes der Technik die hydrostatische Kraft betragsmäßig kleiner
und der Angriffspunkt von der Mitte der Führungsfläche in die äußere Hälfte der Führungsfläche verschoben. Hierdurch wird
bei einer erfindungsgemäßen Schrägscheibenmaschine
gegenüber
einer Schrägscheibenmaschine
des Standes der Technik die schrägscheibenseitige
Abstützkraft
weniger entlastet und die zylinderbohrungsseitige Abstützkraft
geringer zusätzlich
belastet. Insgesamt wird hierdurch erzielt, dass die Summe der Abstützkräfte bei
vorhandener hydrostatischer Kraft kleiner als die Summe der Abstützkräfte ohne
hydrostatische Kraft ist. Insgesamt werden somit bei vorhandener
hydrostatischer Kraft und somit bei vorhandener Strömung über den
Spalt geringere Abstützkräfte und
somit eine verringerte Reibung zwischen dem Kolben und der Zylinderbohrung
erzielt, wodurch sich ein verbesserter Wirkungsgrad der Schrägscheibenmaschine
ergibt. Zudem ist durch die geringere zusätzlichen Belastung der zylinderbohrungsseitigen
Abstützkraft
durch die hydrostatische Kraft die innere, zylinderraumseitige Stirnfläche des Kolbens
geringeren Belastungen ausgesetzt, wodurch sich ein verringerter
Verschleiß ergibt
und hierdurch für
den Kolben und die Zylinderbohrung eine weniger veschleißbeständige und
somit kostengünstigere
Werkstoffpaarung eingesetzt werden kann.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist die mindestens eine Ringnut am Kolben ausgebildet.
Eine Ringnut bzw. mehrere Ringnuten können am Kolben auf einfache
Weise hergestellt werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist die mindestens eine Ringnut an der Zylinderbohrung
ausgebildet. Durch die Ausbildung der Ringnut bzw. der Ringnuten
an der Zylinderbohrung wird die Stabilität des Kolbens nicht beeinträchtigt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung ist die mindestens
eine Ringnut im Bereich vom 0,15-fachen bis 0,5-fachen der Führungslänge, insbesondere
der minimalen Führungslänge, des
Kolbens in der Zylinderbohrung vom inneren Ende der Führungslänge aus
gesehen angeordnet. Bei dieser Anordnung der Ringnut bzw. der Ringnuten
im Bereich der inneren Hälfte
der Führungslänge des
Kolbens in der Zylinderbohrung ergibt sich die höchste reibungsvermindernde
Wirkung der aus der Spaltströmung
resultierenden hydrostatischen Kraft.
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Die
Ringnut kann sich hierbei über
den gesamten oder lediglich teilweise über den oben genannten Bereich
an der Führungslänge erstrecken.
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Sofern
die innere Kante der mindestens einen Ringnut im Bereich des 0,15-fachen
der Führungslänge, insbesondere
der minimalen Führungslänge, vom
inneren Ende der Führungslänge aus
gesehen angeordnet ist und die äußere Kante
der mindestens einen Ringnut im Bereich des 0,5-fachen der minimalen
Führungslänge vom
inneren Ende der Führungslänge aus
gesehen angeordnet ist, wird auf einfache Weise erzielt, dass an
der inneren Hälfte
der minimalen Führungsfläche im Bereich
vom 0,15-fachen bis zum 0,5-fachen der minimalen Führungsfläche aus
der Spaltströmung
keine hydrostatische Kraft erzeugt wird und am zylinderbohrungsseitigen Ende
bis zum 0,15-fachen
der Führungslänge, insbesondere
der minimalen Führungslänge, ein
ausreichender Bereich am Kolben zur Aufnahme der zylinderbohrungsseitigen
Abstützkraft
zur Verfügung steht.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der in den
schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Hierbei
zeigt
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1 eine
Schrägscheibenmaschine
des Standes der Technik in einem Längsschnitt,
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2 einen
vergrößerten Ausschnitt
der 1,
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3 eine
erste Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Schrägscheibenmaschine
in einer Darstellung gemäß der 2,
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4 eine
zweite Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Schrägscheibenmaschine
in einer Darstellung gemäß der 2 und
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5 eine
dritte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Schrägscheibenmaschine
in einer Darstellung gemäß der 2.
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In
der 1 ist eine als Schrägscheibenmaschine 1 ausgebildete
hydrostatische Axialkolbenmaschine des Standes der Technik in einem
Längsschnitt
dargestellt.
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Die
Schrägscheibenmaschine 1 weist
eine um eine Rotationsachse 2 drehbar gelagerte Zylindertrommel 3 auf,
die mit mehreren konzentrisch angeordneten Zylinderbohrungen 4 versehen
ist, in denen jeweils ein Kolben 5 längsverschiebbar gelagert ist.
Die Zylindertrommel 3 steht hierbei mit einer konzentrisch
zur Rotationsachse 2 angeordneten Triebwelle 14 in
drehfester Verbindung.
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Die
Kolben 5 stützen
sich hierbei mittels jeweils eines als Gleitschuh ausgebildeten
Gleitelements 6 auf einer Schrägscheibe 7 ab. Hierzu
ist zwischen dem Kolben 5 und dem Gleitelement 6 ein
kugelförmiges
Gleitschuhgelenk 8 ausgebildet. Die Schrägscheibe 7 kann
an einem schraffiert dargestellten Gehäuse angeformt sein, wobei die
Schrägscheibenmaschine 1 ein
festes Verdrängungsvolumen
aufweist. Es ist jedoch ebenfalls möglich, die Schrägscheibe 7 verstellbar
auszubilden, wodurch die Schrägscheibenmaschine 1 ein
veränderbares Verdrängungsvolumen
aufweist.
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Die
Zylindertrommel 3 stützt
sich in axialer Richtung an einer gehäusefesten Steuerfläche 9 ab, die
an einem scheibenförmigen
Steuerboden 10 ausgebildet ist. Der Steuerboden 10 ist
mit nierenförmigen
Steuerschlitzen 11, 12 versehen, die einen Einlassanschluss
und einen Auslassanschluss der Schrägscheibenmaschine 1 bilden.
Die Zylindertrommel 3 ist für jede Zylinderbohrung 4 mit
einem Verbindungskanal 13 versehen, der bei einer Drehung
der Zylindertrommel 3 um die Rotationsachse 2 eine
Verbindung des von der Zylinderbohrung 4 und dem Kolben 5 gebildeten
Zylinderraum 4a mit den Steuerschlitzen 11, 12 und
somit mit dem Einlassanschluss sowie dem Auslassanschluss ermöglicht.
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In
der 2 ist der Kolben 5 an einem äußeren Totpunkt
mit maximalem Kolbenhub dargestellt. Der Kolben 4 ist hierbei
an der in der 2 rechten, zylinderraumseitigen
Stirnfläche
von dem im Zylinderraum 4a anstehenden Druck und einer
daraus resultierenden in Kolbenlängsachse
ausgerichteten Kolbenkraft FK beaufschlagt.
Diese wird mittels des Gleitelements 6 an der schräg zur Kobenlängsachse angeordneten
Schrägscheibe 7 durch
eine schräg angeordnete
Abstützkraft
FN abgestützt. Durch diese Abstützkraft
entsteht eine am Gleitschuhgelenk 8 angreifende Querkraft
FQ, die über
die Zylindertrommel 3 ein Drehmoment an der Triebwelle 14 erzeugt.
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Das
Gleitschuhgelenk 6 ist hierbei konstruktionsbedingt von
dem äußeren Abstützpunkt
A des Kolbens 5 in der Zylinderbohrung 4 in Längsrichtung des
Kolbens 5 beabstandet, wodurch von der Querkraft FQ ein auf den Kolben 5 einwirkendes
Kippmoment erzeugt wird, das den Kolben 5 mit der Kolbenlängsachse
neigt und in die in der 2 dargestellte Schrägstellung
beaufschlagt.
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Die
Querkraft FQ und das Kippmoment werden am
Kolben 5 durch ein aus einer schrägscheibenseitigen Abstützkraft
FA und einer zylinderbohrungsseitigen Abstützkraft
FB bestehendes Kräftepaar abgestützt. Die
schrägscheibenseitige
Abstützkraft
FA greift hierbei am äußeren Abstützpunkt A des Kolbens 5 in
der Zylinderbohrung 4 und somit am äußeren Ende der Führungslänge LF des Kolbens 5 in der Zylinderbohrung 4 an.
In der dargestellten Stellung des Kolbens 5 befindet sich
die äußere Abstützpunkt
A an der der Schrägscheibe 7 zugewandten Stirnseite 3a der
Zylindertrommel, so dass die schrägscheibenseitige Abstützkraft
FA an der der Schrägscheibe 7 zugewandten
Stirnseite 3a der Zylindertrommel 3 angreift.
Sofern der Kolben 5 im Bereich des Gleitschuhgelenks 6 mit
einer Umbördelung
versehen ist, ist der Kolben 5 ebenfalls bei minimalem
Kolbenhub im Bereich des inneren Totpunktes aufgrund des axialen
Abstandes des nunmehr innerhalb der Zylinderbohrung 4 liegenden äußeren Abstützpunktes
A und des Gleitschuhgelenks 6 von einem Kippmoment belastet.
Die zylinderbohrungsseitige Anstützkraft
FB greift am inneren Abstützpunkt B
des Kolbens 5 in der Zylinderbohrung 4 und somit am
inneren Ende der Führungslänge LF des Kolbens 5 in der Zylinderbohrung 4 an.
In der 2 weist hierbei der Kolben 5 den maximalen
Kolbenhub und somit die minimale Führungslänge LF in
der Zylinderbohrung 4 auf. Die Führungslänge LF des
Kolbens 5 in der Zylinderbohrung 4 erstreckt sich
hierbei von dem äußeren Abstützpunkt
A, der sich beispielsweise an der Stirnseite 3a der Zylindertrommel 3 befindet,
bis zu dem inneren Abstützpunkt
B, der sich an der zylinderraumseitigen Stirnfläche des Kolbens 5 befindet,
wobei der Abstützpunkt
A das äußere Ende Führungslänge LF und der Abstützpunkt B das innere Ende der
Führungslänge LF darstellt.
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Durch
das Kippmoment und die dadurch bedingte Schrägstellung des Kolbens 5 entsteht
weiterhin zwischen dem Kolben 5 und der Zylinderbohrung 4 ein
Spalt 15, über
den Druckmittel aus dem Zylinderraum 4 in das Gehäuse strömt.
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Das
Druckmittel strömt
hierbei – wie
in der 2 durch den Pfeil 16 dargestellt ist – von dem
Zylinderraum 4a in den sich zwischen Kolben 5 und
Zylinderbohrung 4 verengenden Spalt 15, umströmt den Kolben 5 in
radialer Richtung und strömt über den
sich wieder erweiternden Spalt 15 in das Gehäuse. Der
Druck des über
den Spalt 15 strömenden Druckmittelstroms
ist hierbei über
den Kolbenumfang nicht konstant. Das durch die Integration der in
Umfangsrichtung wirkenden Druckkräfte sich ergebende Druckprofil
P über
die Führungslänge LF ist hierbei in der 2 als zusätzliches
Diagramm dargestellt. Dieses symmetrische Druckprofil, das sich über die gesamte
Führungsfläche LF des Kolbens 5 erstreckt, führt bei
einer Integration aller Druckkräfte
zu einer hydrostatischen Kraft FE, die der
Querkraft FQ entgegengerichtet ist und in
der Mitte der Führungslänge LF zwischen dem Kolben 5 und der
Zylinderbohrung 4 wirkt.
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Durch
diese hydrostatische Kraft FE wird die schrägscheibenseitige
Abstützkraft
FA entlastet und die zylinderbohrungsseitige
Abstützkraft
FB im gleichen Maße belastet. Die Summe der
Abstützkräfte FA und FB und somit
die dadurch bedingten Reibungskräfte
ist somit in Betriebszuständen
mit hydrostatischer Kraft FR und in Betriebszuständen ohne
hydrostatische Kraft FE konstant. Die durch
die hohen Abstützkräfte FA und FB bedingten
hohen Reibungskräfte
führen
zu einem verschlechterten Wirkungsgrad einer Schrägscheibenmaschine 1 des
Standes der Technik.
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Zudem
führt die
durch die hydrostatische Kraft FE bewirkte
Zunahme der zylinderbohrungsseitigen Abstützkraft FB zu
einer höheren
Belastung der zylnderraumseitigen, in der 2 rechts
dargestellten, zylinderraumseitigen Stirnfläche des Kolbens 5 und
somit einem hohen höheren
Verschleiß des
Kolbens 5.
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Erfindungsgemäß ist – wie aus
der 3 zu entnehmen ist – zwischen dem Kolben 5 und
der Zylinderbohrung 4 mindestens eine Ringnut 20 ausgebildet,
die im Bereich der inneren Hälfte
LFi der minimalen Führungslänge LF des
Kolbens 5 in der Zylinderbohrung 4 angeordnet
ist. Gemäß der 3 ist die
Ringnut 20 an der Zylinderbohrung 4 angeordnet. Die
innere Kante 21a der Ringnut 20 ist hierbei im Bereich
des 0,15-fachen der minimalen Führungslänge LF vom inneren Ende der Führungslänge LF an
gesehen angeordnet. Die äußere Kante 21b der
Ringnut 20 ist hierbei im Bereich des 0,5-fachen der minimalen
Führungslänge LF vom inneren Ende der Führungslänge LF an
gesehen angeordnet.
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Die
Ringnut 20 ist somit im Bereich der inneren Hälfte LFi der Führungslänge LF im Bereich des 0,15-fachen bis 0,5 fachen
der minimalen Führungslänge LF des Kolbens 5 in der Zylinderbohrung 4 angeordnet
und erstreckt sich im wesentlichen über diesen gesamten Bereich
der Führungslänge LF.
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Durch
die Ringnut 20 kann hierbei das vom Zylinderraum 4a über den
Spalt 15 in das Gehäuse strömende Druckmittel
im Bereich der Ringnut 20 aufgrund der durch die Ringnut 20 erzielte
große Spalthöhe zwischen
dem Kolben 5 und der Zylinderbohrung 4 den Kolben 5 nahezu
ohne Druckverluste umströmen,
wodurch sich über
den Umfang des Kolbens 5 im wesentlichen der gleiche Druck
ausbildet und sich somit nach der Integration der Druckkräfte über den
Kolbenumfang im Bereich der Ringnut 20 keine hydrostatischen
Kräfte
zwischen dem Kolben 5 und der Zylinderbohrung 4 wirken.
Bei der Integration der Druckkräfte über den
Kolbenumfang bildet sich somit das in der 3 in der
Grafik dargestellte Druckprofil P aus, das sich lediglich im wesentlichen über die äußere Hälfte LFa der Führungsfläche LF erstreckt.
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Die
aus dem Druckprofil P resultierende hydrostatische Kraft FE ist hierbei betragsmäßig kleiner als die hydrostatische
Kraft FE gemäß einer Schrägscheibenmaschine 1 des
Standes der Technik und der Angriffspunkt der hydrostatischen Kraft
FE befindet sich nicht mehr in der Mitte
der Führungslänge LF- wie bei einer Schrägscheibenmaschine des Standes der
Technik – sondern
ist in die äußere Hälfte LFa der Führungslänge LF zur in der 3 links
dargestellten Stirnseite 3a der Zylindertrommel 3 verschoben.
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Durch
diesen Angriffspunkt und Betrag der hydrostatischen Kraft FE wird bei einer erfindungsgemäßen Schrägscheibenmaschine 1 gegenüber einer Schrägscheibenmaschine 1 des
Standes der Technik die schrägscheibenseitige
Abstützkraft
FA geringer entlastet und die zylinderbohrungsseitige
Abstützkraft
FB geringer belastet.
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Die
Summe der beiden Abstützkräfte FA und FB ist somit
bei Anliegen einer hydrostatischen Kraft FE geringer
als in Betriebszuständen
ohne hydrostatische Kraft FE. Durch die
mittels der erfindungsgemäßen Ringnut 20 aus
der Spaltströmung
entstehende hydrostatische Kraft FE wird
somit eine Verringerung der Abstützkräfte FA und FB und der
aus den Abstützkräften FA und FB resultierenden
Reibungskräfte erzielt,
wodurch sich ein verbesserter Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Schrägscheibenmaschine ergibt.
Zudem wird durch die geringere Zunahme der zylinderbohrungsseitigen
Abstützkraft
FB die zylinderraumseitige Stirnfläche des
Kolbens 5 geringer belastet, wodurch ein geringerer Verschleiß auftritt und
für den
Kolben 5 und die Zylinderbohrung 4 eine weniger
verschleißbeständige und
kostengünstigeren
Werkstoffpaarung verwendet werden kann.
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Bei
dem in der 3 dargestellten Ausführungsbeispiel
erstreckt sich die Ringnut 20 nahezu vollständig von
dem 0,15-fachen bis zum 0,5-fachen der minimalen Führungslänge LF vom inneren Ende der Führungslänge LF aus
gesehen.
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Es
ist jedoch ebenfalls möglich,
gemäß der 4 in
diesem Bereich der inneren Hälfte
LFi der Führungslänge LF mehrere,
beispielsweise zwei Ringnuten 20a, 20b anzuordnen.
Die innere Kante 21a der inneren Ringnut 20a ist
hierbei wie die innere Kante 21a der Ringnut 20 der 3 im
Bereich des 0,15-fachen der minimalen Führungslänge LF vom
inneren Ende der Führungslänge LF an gesehen angeordnet. Entsprechende ist
die äußere Kante 21b der äußeren Ringnut 20b analog
zu der äußeren Kante 21b der
Ringnut der 3 im Bereich des 0,5-fachen der
minimalen Führungslänge LF angeordnet.
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Darüber hinaus
kann gemäß der 5 eine Ringnut 20 oder
mehrere Ringnuten an dem Kolben 5 angeordnet werden, wobei
die Anordnung der inneren Kante 21a und der äußere Kante 21b bezüglich der
Führungslänge LF identisch mit den in der 3 und 4 dargestellten
erfindungsgemäßen Ausführungsformen
ist.