-
Die
Erfindung betrifft eine hydrostatische Verdrängermaschine
mit einer um eine Drehachse angeordneten Zylindertrommel, die mit
Kolbenausnehmungen versehen ist, in denen jeweils ein Kolben längsverschiebbar
angeordnet ist, wobei die Kolben mittels jeweils eines rollenförmigen
Wälzkörpers, der in einer Ausnehmung des Kolbens
mittels eines Gleitlagers, insbesondere eines hydrostatisch entlasteten Gleitlagers,
gelagert ist, an einer huberzeugenden Laufbahn abgestützt
sind.
-
Bei
derartigen Verdrängermaschinen, beispielsweise einhubigen
oder mehrhubigen Radialkolbenmaschinen oder Axialkolbenmaschinen,
ist es bekannt, die Kolbenkräfte mittels eines als Zylinderrolle
ausgebildeten Wälzkörpers an einer mit der Laufbahn
versehenen Hubscheibe abzustützen. Der Wälzkörper
ist hierbei in dem Kolben mittels eines Gleitlagers gelagert. Es
ist bereits bekannt, das Gleitlager mit einer aus einem Metall-Kunststoff-Verbundwerkstoff
bestehenden Gleitlagerschale auszubilden, die am Kolben angeordnet
ist und in der der Wälzkörper gelagert ist. Aufgrund
der Werkstoffeigenschaften des Metall-Kunststoff-Verbundwerkstoffes
ergibt sich bei derartigen Verdrängermaschinen jedoch eine
eingeschränkte Temperaturfestigkeit und eine geringe Temperaturbelastbarkeit
des Gleitlagers. Wird die Verdrängermaschine bei hohen
Drücken und/oder hohen Drehzahlen betrieben, kann es aufgrund
der hohen Reibmomente an dem Gleitlager zu einer hohen Wärmeentwicklung
und somit einer hohen Temperaturbelastung des zwischen dem Wälzkörper
und dem Kolben ausgebildeten Gleitlagers kommen, wodurch die Lebensdauer
der Verdrängermaschine stark herabgesetzt wird. Augrund
dieser Effekte werden derartige Verdrängermaschinen lediglich
mit Drücken im sogenannten Mitteldruckbereich im Bereich
von ca. 200 bis ca. 300 bar eingesetzt, wobei weiterhin hohe Drehzahlen
zu vermeiden sind. Hierdurch weist eine derartige Verdrängermaschine
lediglich eine geringe Leistungsdichte auf.
-
Um
dies zu vermeiden, ist es bei gattungsgemäßen
Verdrängermaschinen bekannt, das Gleitlager zwischen dem
Kolben und dem Wälzkörper hydrostatisch zu entlasten.
-
Eine
gattungsgemäße, in Schrägscheibenbauweise
ausgebildete mehrhubige Axialkolbenmaschine ist aus der
DE 10 2005 058 323
A1 bekannt. An dem Gleitlager zwischen dem als Rolle ausgebildeten
Wälzkörper und der Ausnehmung des Kolbens ist
eine hydrostatische Entlastung vorgesehen, die eine zentral in der
Ausnehmung des Kolbens angeordnete Drucktasche aufweist, die konzentrisch
zur Kolbenlängsachse angeordnet ist und über einen
in dem Kolben angeordneten Verbindungskanal mit dem druckbeaufschlagten
Verdrängerraum in Verbindung steht. Mit einer derartigen
hydrostatischen Entlastung des Wälzkörpers kann
die Verdrängermaschine mit höheren Drücken
betrieben werden.
-
Beim
Abrollen des Wälzkörpers auf der Laufbahn treten
an der Kontaktstelle des Wälzkörpers und der Laufbahn
der Hubscheibe hohe Hertzsche Pressungen und somit hohe Kantenspannungen
auf. Zur Vermeidung von Spannungsüberhöhungen
im Kantenbereich des Wälzkörpers ist es aus der
DE 10 2005 058 323
A1 bereits bekannt, den rollenförmigen Wälzkörper
als Tonnenrolle auszuführen, bei der sich durch den profilierten
Mantelflächenverlauf an den stirnseitigen Bereichen der
Tonnenrolle ein Kantenabfall ergibt. Sofern jedoch das Gleitlager
mit der Drucktasche von einer einfach im Kolben herzustellenden
bohrungsförmigen Aufnahme gebildet wird, führt
der Kantenabfall der Tonnenrolle zu einem vergrößerten
Dichtspalt des Gleitlagers zwischen der Drucktasche und der Tonnenrolle.
Der vergrößerte Dichtspalt des Gleitlagers bewirkt
hierbei eine Zunahme des über den Dichtspalt zwischen der
Drucktasche und der Tonnenrolle abströmenden Leckagestroms
und/oder einen steileren Druckabfall in Strömungsrichtung
im Dichtspalt, wodurch sich eine verringerte Tragfähigkeit
des Gleitlagers und somit eine verringerte Leistungsdichte der Verdrängermaschine ergibt.
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verdrängermaschine
zur Verfügung zu stellen, die mit geringem Bauaufwand eine
erhöhte Leistungsdichte unter Verringerung der Kantenspannungen
aufweist.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass an der Laufbahn im stirnseitigen Bereich der rollenförmigen
Wälzkörper jeweils eine Kantenprofilierung ausgebildet
ist. Der erfindungsgemäße Gedanke besteht somit
darin, anstelle der Kantenprofilierung an dem Wälzkörper
durch die Ausbildung des Wälzkörpers als Tonnenrolle
die Kantenspannungen zwischen dem Wälzkörper und
der Laufbahn durch eine äquivalente Profilierung der Laufbahn
zu vermindern. Hierdurch kann der Wälzkörper ohne
Kantenprofilierung und somit ohne Kantenabfall ausgebildet werden,
so dass sich eine erhöhte Tragfähigkeit des im
Kolben mittels eines Gleitlagers, beispielsweise eines aus einem
Metall-Kunststoff-Verbundwerkstoff bestehenden Gleitlagers, gelagerten
Wälzkörpers ergibt. Mit der Kantenprofilierung
an der Laufbahn kann somit auf einfache Weise die Leistungsdichte
der Verdrängermaschine erhöht werden.
-
Sofern
das Gleitlager als hydrostatisch entlastetes Gleitlager ausgebildet
ist, werden mit der erfindungsgemäßen Kantenprofilierung
an der Laufbahn zusätzliche Vorteile erzielt, da sich durch
den unprofilierten Wälzkörper weiterhin ein geringer Dichtspalt
des Gleitlagers zwischen der Drucktasche und dem Wälzkörper
ergibt. Hierdurch entstehen geringe Leckageströme, die
eine hohe Tragfähigkeit des Gleitlagers bewirken und somit
eine hohe Leistungsdichte der Verdrängermaschine ermöglichen. Durch
die Verringerung des Dichtspalts des Gleitlagers zwischen der Drucktasche
und dem Wälzkörper kann somit eine verbesserte
und wirksame hydrostatische Entlastung erzielt werden. Bei unverändertem Bauraumbedarf
kann ein erhöhte Tragfähigkeit des Gleitlagers
und somit ein höherer Wirkungsgrad der Verdrängermaschine
mit hoher Leistungsdichte erzielt werden oder der Gleitlagereinbauraum
bei gleichbleibender Tragfähigkeit des Gleitlagers verringert
werden.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zur Kantenprofilierung
der Laufbahn die Laufbahn im stirnseitigen Bereich der rollenförmigen
Wälzkörper mit einem von den rollenförmigen Wälzkörpern
abweisenden Konturverlauf, insbesondere einen konvexen Konturverlauf,
versehen. Mit einem derartigen konvexen Konturverlauf der Laufbahn
kann auf einfache Weise ein Kantenabfall an der Laufbahn im Bereich
der Stirnseiten des Wälzkörpers erzielt werden
und die Kantenspannungen zwischen den stirnseitigen Bereichen der
Wälzkörper und der Laufbahn verringert werden.
-
Durch
die erfindungsgemäße Kantenprofilierung und den
Kantenabfall an der Laufbahn zur Vermeidung der Kantenspannungen
kann gemäß einer zweckmäßigen
Weiterbildung der Erfindung der Kolben mit einer bohrungsförmigen
Ausnehmung zur Aufnahme und Halterung des Wälzkörpers
versehen werden. Durch den Entfall der Kantenprofilierung des Wälzkörpers
kann die Ausnehmung an dem Kolben von einer einfach herzustellenden
Querbohrung gebildet werden, wodurch das sich eine kostengünstige Herstellung
des Gleitlagers ergibt.
-
Bei
einem hydrostatisch entlasteten Gleitlager ist zur hydrostatischen
Entlastung des Wälzkörpers ist zwischen der Ausnehmung
und dem Wälzkörper zumindest eine Drucktasche
ausgebildet. Die Drucktasche kann hierbei über einen entsprechenden
Verbindungskanal im Kolben mit dem zwischen dem Kolben und der Kolbenausnehmung
der Zylindertrommel ausgebildeten Verdrängerraum in Verbindung
stehen und somit von dem Hochdruck beaufschlagt sein.
-
Die
Drucktasche kann hierbei in der als Querbohrung ausgebildeten Ausnehmung
des Kolbens eingearbeitet werden. Eine derartige Ausbildung der
Drucktasche in dem Kolben ist beispielsweise bei einer entsprechenden
Materialwahl des Kolbens aus einem tribologisch günstigen
Material möglich. Der Herstellaufwand für die
Drucktasche lässt sich verringern, wenn diese gemäß einer
zweckmäßigen Ausgestaltungsform der Erfindung
an einer in der Ausnehmung angeordneten Gleitlagerschale ausgebildet
ist.
-
Die
Laufbahn kann durch ein spanabhebendes Bearbeitungsverfahren, insbesondere
ein Fräsverfahren, bearbeitet werden, wodurch die Kantenprofilierung
und der Kantenabfall an der Laufbahn auf einfache Weise hergestellt
werden kann. Sofern gemäß einer vorteilhaften
Weiterbildung der Erfindung die Laufbahn durch ein elektrochemisches
Materialabtragverfahren bearbeitet ist, kann der Herstellaufwand
für die Laufbahn und die Kantenprofilierung mit dem Kantenabfall
an der Laufbahn weiter verringert werden. Ein derartiges elektrochemisches
Materialabtragverfahren ist beispielsweise ein PEM (Precise Electrochemical
Machining) – Verfahren, bei dem die Laufbahn als Anode
(positiv) und das Werkzeug als Kathode (negativ) polarisiert wird.
Ein derartiges elektrochemisches Materialabtragverfahren ist ein
abbildendes Verfahren, bei dem an einem Werkzeug prozessbedingt
kein Verschleiß auftritt. Durch entsprechende Formgestaltung
der Werkzeugkathode kann hierbei die Gestalt und Form der Laufbahn mit
dem Kantenabfall auf einfache Weise erzeugt und hergestellt werden.
-
Der
rollenförmige Wälzkörper kann gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung als Zylinderrolle
mit einer ebenen Mantelfläche und somit ohne Profilierung an
den Kanten ausgebildet werden. Die Ausnehmung im Kolben kann hierbei
auf einfache Weise von einer zylindrischen Querbohrung hergestellt
werden.
-
Gemäß einer
weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der rollenförmige
Wälzkörper als Kegelrolle mit einer geraden Mantelfläche
und somit ohne Profilierung der Kanten ausgebildet werden. Bei einem
derartigen Wälzkörper mit einer ebenen Mantelfläche
kann die Ausnehmung im Kolben von einer kegelförmigen Bohrung
auf einfache Weise hergestellt werden.
-
Die
erfindungsgemäße Verdrängermaschine kann
einhubig oder mehrhubig ausgebildet sein und als Pumpe bzw. Motor
betrieben werden. Das erfindungsgemäße Prinzip
der Kantenprofilierung an der Laufbahn kann bei einer Ausbildung
der Verdrängermaschine als Radialkolbenmaschine oder als
Axialkolbenmaschine verwendet werden. Die Axialkolbenmaschine kann
als Schrägscheibenmaschine mit einer um die Drehachse drehbar
gelagerten Zylindertrommel oder als Taumelscheibenmaschine mit einer drehbar
um die Drehachse angeordneten Laufbahn ausgebildet werden.
-
Weitere
Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der in den
schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Hierbei zeigen
-
1 eine
erfindungsgemäße Verdrängermaschine in
einem Längsschnitt,
-
2 einen
Ausschnitt der 1 in einer vergrößerten
Darstellung und
-
3 eine
zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Verdrängermaschine in einer Darstellung gemäß der 2.
-
In
der 1 ist eine erfindungsgemäße
hydrostatische Verdrängermaschine 1, die beispielsweise
als mehrhubige Axialkolbenmaschine ausgebildet ist, in einem Längsschnitt
dargestellt.
-
Die
Verdrängermaschine 1 weist eine um eine Drehachse
D drehbar gelagerte Zylindertrommel 2 auf, die mit mehreren
konzentrisch zur Drehachse D angeordneten Kolbenausnehmungen 3 versehen
ist, in denen jeweils ein Kolben 4 längsverschiebbar
gelagert ist.
-
Die
Kolben 4 stützen sich hierbei mittels jeweils
eines rollenförmigen Wälzkörpers W auf
einer Laufbahn 6 ab, die an der Stirnseite einer gehäusefesten
Hubscheibe 7 ausgebildet ist.
-
Die
Zylindertrommel 2 stützt sich gegenüberliegend
zur der Hubscheibe 7 in axialer Richtung an einer gehäusefesten
Steuerfläche 8 ab, die an einem scheibenförmigen
Steuerboden 9 ausgebildet sein kann und mit nierenförmigen
Steuerschlitzen versehen ist, die einen Einlassanschluss 10 und
einen Auslassanschluss 11 der Verdrängermaschine 1 bilden.
Die Zylindertrommel 2 ist für jede Kolbenausnehmung 3 mit
einem Verbindungskanal 12 versehen, die bei einer Drehung
der Zylindertrommel 2 eine Verbindung des von der Kolbenausnehmung 3 und
dem Kolben gebildeten Verdrängerraums V mit dem Einlassanschluss 10 sowie
dem Auslassanschluss 11 ermöglichen.
-
Die
Zylindertrommel 2 ist weiterhin mit einer konzentrisch
zur Drehachse D angeordneten Triebwelle 13 drehfest verbunden,
beispielsweise mittels einer Verzahnung 14.
-
Zur
Beaufschlagung der Zylindertrommel 2 in Richtung der Steuerfläche 8 ist
eine Feder 15 vorgesehen.
-
Bei
der erfindungsgemäßen Verdrängermaschine 1 sind
die rollenförmigen Wälzkörper W, mit denen
die Kolben 4 an der Laufbahn 6 abgestützt sind,
in dem entsprechenden Kolben 4 in einer bohrungsförmigen
Ausnehmung 16 gelagert, wobei die Ausnehmung 16 des
Kolbens 4 den Wälzkörper W käfigartig
umschließt und zwischen dem Kolben 4 und dem Wälzkörper
W ein Gleitlager G ausgebildet ist.
-
Hierzu
ist der Kolben 4 an der der Laufbahn 6 zugewandten
Stirnseite mit jeweils einer Ausnehmung 16 versehen, in
der die Wälzkörper K angeordnet ist. Die Ausnehmung 16 ist
hierbei als eine senkrecht zur Kolbenlängsachse K angeordnete
bohrungsförmige Ausnehmung ausgebildet und derart angeordnet,
dass der Wälzkörper W in zwei Seitenabschnitten
der Ausnehmung 16 des Kolbens 4, die jeweils den
Wälzkörperäquator übergreifen,
drehbar um eine senkrecht zur Drehachse D angeordnete Rotationsachse
R gehaltert ist. Die Ausnehmung 16 umschließt
somit den Wälzkörper W um zumindest 180° Grad.
-
Zwischen
der Ausnehmung 16 des Kolbens 4 und dem Wälzkörper
W ist bei der dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Verdrängermaschine ein hydrostatisch entlastetes Gleitlager 17 ausgebildet.
-
In
der 2 ist der Ausschnitt X der 1 in einer
vergrößerten Darstellung dargestellt.
-
Das
hydrostatisch entlastete Gleitlager G umfasst – wie aus
der 2 ersichtlich ist – eine in der Ausnehmung 16 angeordnete
Drucktasche 20, die in einer Gleitlagerschale 21 angeordnet
ist. Die Gleitlagerschale 21 ist hierbei in der Ausnehmung 16 angeordnet
und steht mittels eines Verbindungskanals 22 des Kolbens 4 mit
in der 1 rechten Stirnseite des Kolbens 4 und
somit dem Verdrängerraum V der Verdrängermaschine 1 in
Verbindung.
-
Die
Drucktasche 20 erstreckt sich in Umfangsrichtung des Wälzkörpers
W und endet in axialer Längsrichtung des Wälzkörpers
W vor den stirnseitigen Bereichen 23 des Wälzkörpers
W. In der 2 ist lediglich der radial äußere
Bereich des Wälzkörpers W dargestellt, der radial
innere Bereich ist identisch aufgebaut.
-
Bei
der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsform
der Erfindung ist der Wälzkörper W von einer Zylinderrolle 25 mit
einer geraden und unprofilierten Mantelfläche ausgebildet.
Die Ausnehmung 16 des Kolbens 4 ist von einer
zylindrischen, unprofilierten Querbohrung gebildet.
-
Um
die Kantenspannungen zwischen dem Wälzkörper W
und der Laufbahn 6 beim Abrollen des Wälzkörpers
W an der Laufbahn 6 zu verringern, ist erfindungsgemäß die
Laufbahn 6 und somit die Hubscheibe 7 im stirnseitigen
Bereich 23 der Wälzkörper W mit jeweils
einer Kantenprofilierung P versehen. Die Hubscheibe 7 weist
hierbei an der Laufbahn 6 im Bereich der beiden Stirnseiten
des Wälzkörpers W jeweils einen von dem Wälzkörper
W abweisenden Konturverlauf mit einem konvexen Konturverlauf 26 auf,
um einen Kantenabfall zu erzielen.
-
In
der 3 ist eine zweite Ausführungsform der
Erfindung mit einem als Kegelrolle 27 ausgebildeten Wälzkörper
W dargestellt. Die Kegelrolle 27 weist hierbei eine gerade
und unprofilierte Mantelfläche auf. Die Ausnehmung 16 des
Kolbens 4 ist hierbei von einer kegelförmigen,
unprofilierten Querbohrung gebildet. Entsprechend der 1 und 2 ist
an der Laufbahn 6 der Hubscheibe 7 an den beiden stirnseitigen
Bereichen 23 der Kegelrolle 27 eine Kantenprofilierung
P mit einem konvexen Konturverlauf 26 der Laufbahn 7 zur
Erzielung eines Kantenabfalls und somit zur Kantenspannungsverringerung ausgebildet.
-
Durch
die erfindungsgemäße Ausbildung der Kantenprofilierung
P an der Hubscheibe 7 im Bereich der Laufbahn 6 wird
ein Kantenabfall erzielt, der die Kantenspannung beim Abrollen des
von der Zylinderrolle 25 oder der Kegelrolle 27 gebildeten
Wälzkörpers W auf der Laufbahn 6 im Bereich
der Stirnseiten 23 des Wälzkörpers W
verringert. Der von der Zylinderrolle 25 bzw. der Kegelrolle 27 gebildete
Wälzkörper W kann hierdurch mit einer ebenen und
unprofilierten Mantelfläche versehen werden, so dass sich an
dem hydrostatisch entlasteten Gleitlager G zwischen der Drucktasche 20 und
dem Wälzkörper W an den stirnseitigen Bereichen 23 ein
geringer Dichtspalt 28 des Gleitlagers G mit einem geringen Leckagestrom
erzielen lässt.
-
Dieser
verringerte Dichtspalt 28 des Gleitlagers G zwischen den
axialen Enden der Drucktasche 20 und den Stirnseiten des
Wälzkörpers W führt zu einer erhöhten
Tragfähigkeit des Gleitlagers G, wodurch die Verdrängermaschine 1 bei
gegebenem Bauraumbedarf für das Gleitlager G eine erhöhte Leistungsdichte
und einen erhöhten Wirkungsrad aufweist. Zudem ist möglich,
bei gleichbleibender Tragfähigkeit des Gleitlagers G den
Bauraumbedarf für das Gleitlager G zu verringern. Durch
die Kantenprofilierung P an der Laufbahn 6 der Hubscheibe 7 wird
zudem eine einfache und kostengünstige Herstellung der
Ausnehmung 16 des Kolbens 4 durch eine zylindrische
Querbohrung für eine Zylinderrolle 25 oder durch
eine kegelförmige Querbohrung für eine Kegelrolle 27 erzielt.
-
Die
Erfindung ist nicht auf die Ausbildung des Gleitlagers G als hydrostatisch
entlastetes Gleitlager G beschränkt. Es ist ebenfalls möglich,
das Gleitlager von einer aus einem Metall-Kunststoff-Verbundwerkstoff
bestehenden Gleitlagerschale zu bilden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102005058323
A1 [0004, 0005]