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Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit mit einer Axialkolbenbrennkraftmaschine und einer hydraulischen Axialkolbenpumpe, wobei die Axialkolbenbrennkraftmaschine eine Mehrzahl von auf einem gemeinsamen Teilkreis angeordneten, gehäusefesten Zylindern aufweist, in denen jeweils ein Kolben längsbeweglich ist, der in Wirkverbindung mit einer rotierenden Hubscheibe einer Rotorbaugruppe steht, die eine zu den Zylindern konzentrische Drehachse aufweist, und wobei die Axialkolbenpumpe mit der Rotorbaugruppe in Antriebsverbindung steht.
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Eine gattungsgemäße Antriebseinheit ist aus der
US 4 174 684 bekannt. Bei der Axialkolbenbrennkraftmaschine dieser Antriebseinheit sind die Kolben der Zylinder-Kolben-Baugruppen mittels Pleuelstangen mit einer hin- und herschwenkenden Kippscheibe gelenkig gekoppelt, die über ein Wälzlager auf einer rotierenden Hubscheibe abgestützt ist. Die oszillierende Schwenkbewegung der Kippscheibe wird in eine Rotationsbewegung der Hubscheibe und einer damit verbundenen Rotorbaugruppe umgewandelt. Der Neigungswinkel der Kippscheibe und der rotierenden, wälzgelagerten Hubscheibe ist verstellbar, um den Kolbenhub zu verändern. Abtriebsseitige Komponente der Antriebseinheit ist ein mechanisches Getriebe oder alternativ eine als Verstellpumpe ausgeführte hydraulische Axialkolbenpumpe (Taumelscheibenpumpe).
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zur Grunde, eine Antriebseinheit der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die über einen kompakten Aufbau verfügt, einfach herstell- und montierbar ist und einen großen Einsatzbereich aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Kolben jeweils einen die Hubscheibe hintergreifenden, in Eingriff mit dieser stehenden Brückenabschnitt und einen axial daran anschließenden, auf der Rückseite der Hubscheibe angeordneten Führungsabschnitt aufweisen, der in einer gehäusefesten Führungsaufnahme geführt ist, wobei die Kolben mit Brückenabschnitten und Führungsabschnitten und die jeweils zugehörigen Zylinder und Führungsaufnahmen eine Mehrzahl von Zylinder-Kolben-Baugruppen bilden, die einen Zentralbereich der Axialkolbenbrennkraftmaschine umschließen, in dem die Axialkolbenpumpe zumindest teilweise angeordnet ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Antriebseinheit ist in der Axialkolbenbrennkraftmaschine auf funktionssichere Weise und mit denkbar einfachen Mitteln eine Wirkverbindung zwischen den Kolben und der rotierenden Hubscheibe der Rotorbaugruppe hergestellt und zugleich die Axialkolbenpumpe auf Platz sparende Weise und ohne zusätzlichen Raumbedarf in die Antriebseinheit baulich integriert, nämlich in einem Zentralbereich der Axialkolbenbrennkraftmaschine, der radial nach außen von den Zylinder-Kolben-Baugruppen begrenzt wird und sich über deren Länge erstreckt. Somit befindet sich die Axialkolbenpumpe vollständig oder zumindest weitgehend innerhalb der Längserstreckung der Zylinder-Kolben-Baugruppen im Zentralbereich der Axialkolbenbrennkraftmaschine. Die erfindungsgemäße Anordnung der einzelnen Bauelemente ermöglicht trotz Integration der Axialkolbenpumpe in die Axialkolbenbrennkraftmaschine einen geringen Außendurchmesser der Antriebseinheit.
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Die Axialkolbenpumpe kann innerhalb eines inneren Hüllkreises der konzentrisch zur Drehachse angeordneten Führungsaufnahmen angeordnet sein. Dabei ist die Axialkolbenpumpe axial in dem Abschnitt des Zentralbereichs hinter der Hubscheibe platziert, in dem sich die Führungsaufnahmen befinden und den Zentralbereich radial nach außen abgrenzen.
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Alternativ dazu ist es aber auch möglich, dass die Axialkolbenpumpe innerhalb eines inneren Hüllkreises der Zylinder angeordnet ist. Dabei befindet sich die Axialkolbenpumpe in demjenigen Abschnitt des Zentralbereichs, der den Zylinder zugeordnet und von diesen radial nach außen begrenzt wird, also vor der Hubscheibe.
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Die integrierte Axialkolbenpumpe kann im offenen oder geschlossenen hydraulischen Kreis betrieben werden. So ist es z. B. möglich, hydraulische Verbraucher einer Arbeitshydraulik im offenen Kreis zu speisen oder für einen hydrostatischen Fahrantrieb einen oder mehrere hydraulische Motoren im geschlossenen Kreis an die Axialkolbenpumpe anzuschließen.
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Im Hinblick auf einen funktionssicheren Betrieb und eine platzsparende Bauweise ist es zweckmäßig, wenn die Axialkolbenpumpe als verstellbare Axialkolbenpumpe in Schrägscheibenbauweise ausgebildet ist. Hierbei rotiert ein Zylinderblock mit darin angeordneten Arbeitskolben, die gegen eine drehfeste, verschwenkbare Schrägscheibe abgestützt sind, die in der Regel als wiegenförmiges Bauelement ausgebildet ist. Die Rotorbaugruppe weist mit Vorteil einen zylinderförmigen Rotorkörper auf, der in einem Maschinengehäuse drehbar gelagert ist, wobei an einer Mantelfläche des Rotorkörpers die Hubscheibe angeformt oder befestigt ist.
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Hierbei ist eine Ausgestaltung der Erfindung besonders günstig, gemäß der der Rotorkörper zusätzlich mittels einer hydrostatischen Gleitlagerung axial abstützbar ist. Dadurch kann die in der Regel mit Hilfe von Wälzlagern gebildete Lagerung der Rotorbaugruppe, in die über die Hubscheibe und damit über den Rotorkörper axiale Kolbenkräfte der Zylinder-Kolben-Baugruppen in das Maschinengehäuse eingeleitet werden, durch entgegengerichtet wirksame, hydraulische Axialkräfte zumindest teilweise entlastet werden. Die Wälzlagerung der Rotorbaugruppe kann deshalb kleiner ausgebildet werden bzw. ist bei gleichbleibender Baugröße weniger belastet, was die Lebensdauer erhöht.
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Die hydrostatische Gleitlagerung weist mit Vorteil ein mit einer Schrägscheibenaufnahme der Axialkolbenpumpe verbundenes oder von der Schrägscheibenaufnahme gebildetes Bauteil auf, das dem Rotorkörper benachbart und in Axialrichtung beweglich ist. Die axialen Kolbenkräfte der Arbeitskolben der Axialkolbenpumpe werden bekanntermaßen über die Schrägscheibe in die Schrägscheibenaufnahme eingeleitet und dort abgestützt. Dadurch dass im vorliegenden Fall die Schrägscheibenaufnahme nicht gehäusefest ist, sondern axial beweglich als Bestandteil des hydrostatischen Gleitlagers am Rotorkörper RK anliegt, werden die axialen Kolbenkräfte der Axialkolbenpumpe über die hydrostatische Gleitlagerung in den Rotorkörper eingeleitet und wirken somit den axialen Kolbenkräften der Kolben der Zylinder-Kolben-Baugruppen der Axialkolbenbrennkraftmaschine entgegen.
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Besonders günstig ist es, wenn die Gleitlagerung durch die Axialkolbenpumpe versorgbar ist In diesem Fall können in der Schrägscheibenaufnahme bereits vorhandene und zur hydrostatischen Entlastung der schwenkbaren Schrägscheibe vorgesehene Kanäle angezapft werden, um ein hydrostatisches Druckfeld zwischen der axial beweglichen, drehfesten Schrägscheibenaufnahme und dem drehenden Rotorkörper zu erzeugen.
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Selbstverständlich ist jedoch auch möglich, andere vorhandene Druckmittelquellen alternativ oder zusätzlich zur Versorgung der Gleitlagerung zu nutzen.
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Eine weitere günstige Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Brückenabschnitte in Gleiteingriff mit der Hubscheibe stehen, wobei zwischen jedem Kolben und der Hubscheibe jeweils auf der Vorderseite und auf der Rückseite der Hubscheibe ein kugelsegmentförmiger Gleitkörper angeordnet ist, der zumindest teilweise hydrostatisch entlastet ist.
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Die hydrostatische Entlastung der Kolben auf der Hubscheibe sorgt für eine hohe Belastungsfähigkeit und eine lange Lebensdauer der an der Umwandlung der Linearbewegung der Kolben in eine Rotationsbewegung der Hubscheibe beteiligten Bauelemente. Gleichzeitig kommt die Wirkverbindung zwischen Kolben und Hubscheibe mit nur wenigen und funktionssicheren Bauteilen aus.
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Die in die Axialkolbenbrennkraftmaschine der erfindungsgemäßen Antriebseinheit integrierte Axialkolbenpumpe kann in Weiterbildung der Erfindung unter Zwischenschaltung einer schaltbaren Kupplung mit der Rotorbaugruppe in Antriebsverbindung stehen. Bei laufender Axialkolbenbrennkraftmaschine ist es somit möglich, durch Öffnen der Kupplung die Pumpenwelle der Axialkolbenpumpe stillzusetzen, wodurch Schleppverluste verhindert werden.
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Um Platz zu sparen, ist die schaltbare Kupplung bevorzugt innerhalb des Rotorkörpers angeordnet.
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Alternativ zu einer Ausführung der Axialkolbenbrennkraftmaschine mit einer der Axialkolbenpumpe vorgeschalteten Kupplung, ist es jedoch auch möglich, dass die Axialkolbenpumpe kraftflussunterbrechungsfrei mit der Rotorbaugruppe in Antriebsverbindung stehen. Durch die Möglichkeit, die Axialkolbenpumpe auf Fördervolumen Null zu verstellen, kann dabei trotz laufender Axialkolbenbrennkraftmaschine die Versorgung des/der an die Axialkolbenpumpe angeschlossenen hydraulischen Verbraucher(s) unterbrochen werden.
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Anstelle einer Anordnung der Axialkolbenpumpe axial vor oder hinter der Hubscheibe kann die Axialkolbenpumpe platzsparend innerhalb des Rotorkörpers angeordnet sein.
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Hierbei ist es möglich, dass ein Zylinderblock der Axialkolbenpumpe in direkter Antriebsverbindung mit dem Rotorkörper steht. Zu diesem Zweck kann der Zylinderblock mit einer Außenverzahnung versehen sein, die in eine Innenverzahnung des Rotorkörpers eingreift.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass eine kraftflussunterbrechungsfrei mit der Rotorbaugruppe verbundene, als Hohlwelle ausgebildete Steuerwelle mit einer Nockenscheibe einer Ventilsteuerung der Axialkolbenbrennkraftmaschine in Antriebsverbindung steht, wobei eine zur Steuerwelle koaxiale Triebwelle einer mit der Axialkolbenbrennkraftmaschine baulich vereinigten elektrische Maschine durch die Steuerwelle hindurchgeführt und und mit einer Pumpenwelle der Axialkolbenpumpe gekoppelt ist.
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Dadurch ist es möglich, die Axialkolbenpumpe parallel durch die Axialkolbenbrennkraftmaschine und durch die elektrische Maschine anzutreiben, sofern letztere mit einem elektrischen Energiespeicher versehen ist. Die Axialkolbenbrennkraftmaschine braucht daher nicht auf Leistungsspitzen ausgelegt zu sein und kann kleiner ausgeführt werden. Bei erhöhtem Leistungsbedarf wird die elektrische Maschine parallel zu der Axialkolbenbrennkraftmaschine elektromotorisch betrieben, sofern sich ausreichend Energie im elektrischen Energiespeicher befindet. Bei niedrigem Leistungsbedarf der Axialkolbenpumpe kann die elektrische Maschine generatorisch betrieben werden, um den elektrischen Energiespeicher zu füllen, wobei die Axialkolbenbrennkraftmaschine Leistung sowohl in die Axialkolbenpumpe als auch in die elektrische Maschine einspeist. Selbstverständlich ist auch ein Betriebszustand möglich, in dem die Axialkolbenbrennkraftmaschine ausschließlich zum Laden des elektrischen Energiespeichers eingesetzt wird.
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Darüber hinaus kann bei Vorhandensein einer Kupplung diese geöffnet werden, um die Axialkolbenbrennkraftmaschine stillzusetzen und im Rahmen der vorhandenen Speicherkapazität des elektrischen Energiespeichers und dessen Füllungsgrades einen alleinigen Antrieb der Axialkolbenpumpe durch die elektrische Maschine zu erzielen. Somit ist zeitweise ein emissionsfreier Betrieb möglich.
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Schließlich kann bei Verwendung der erfindungsgemäßen Antriebseinheit für einen Fahrantrieb beim Bremsen durch die in diesem Betriebszustand ebenfalls generatorisch betreibbare elektrische Maschine Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt und gespeichert werden (Rekuperation). Hierbei wird zweckmäßigerweise die ggf. vorhandene Kupplung geöffnet, um die Axialkolbenbrennkraftmaschine vom Antriebsstrang zu trennen, damit keine Schleppleistung verbraucht wird. Ferner kann dabei zusätzlich die Axialkolbenbrennkraftmaschine abgeschaltet werden, um Treibstoff zu sparen.
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Es erweist sich als Vorteil, wenn die elektrische Maschine als Schwungrad-Starter-Generator ausgebildet ist. Bei Verwendung eines derartigen Schwungrad-Moduls ist kein separater Anlasser erforderlich und gegenüber einer Bauweise mit separatem Anlasser werden Platz und Bauteile (z. B. auch Zahnräder) gespart.
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Die Kupplung ist in günstiger Ausgestaltung der Erfindung bevorzugt als Federspeicherkupplung ausgebildet, insbesondere als Lamellenkupplung. Wenn die erfindungsgemäße Antriebseinheit außer Betrieb ist und die Axialkolbenbrennkraftmaschine gestartet werden soll, ist daher die Kupplung stets geschlossen und die elektrische Maschine kann die Axialkolbenbrennkraftmaschine auf Startdrehzahl beschleunigen.
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Der Einsatzbereich der Antriebseinheit wird in Weiterbildung der Erfindung erheblich erweitert, wenn eine zweite, in Schrägscheibenbauweise ausgebildete Axialkolbenpumpe in den Zentralbereich der Axialkolbenbrennkraftmaschine integriert ist. Hierbei kann eine der beiden Axialkolbenpumpen beispielsweise einen Fahrantrieb im geschlossenen hydraulischen Kreis versorgen, während die zweite Axialkolbenpumpe im offenen hydraulischen Kreislauf die Verbraucher einer Arbeitshydraulik versorgt. Die Axialkolbenpumpen können gleiches maximales Fördervolumen aufweisen oder unterschiedliche Fördervolumina, je nach Anwendungsfall.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die beiden Axialkolbenpumpen im Bereich der Längserstreckung der Rotorbaugruppe und der Führungsaufnahmen angeordnet. Dabei kann sich eine der Axialkolbenpumpen innerhalb des Rotorkörpers befinden, währen die zweite Axialkolbenpumpe hinter der Hubscheibe angeordnet ist.
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Ferner erweist es sich als günstig, wenn die beiden Axialkolbenpumpen koaxial und zueinander benachbart in back-to-back-Bauweise angeordnet sind. In diesem Fall wird die Versorgung der beiden Axialkolbenpumpen räumlich zusammengefasst und es ist möglich, eine gemeinsame Saugleitung vorzusehen.
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In konsequenter Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass eine dritte, in Schrägscheibenbauweise ausgebildete Axialkolbenpumpe in den Zentralbereich der Axialkolbenbrennkraftmaschine integriert ist. Ein derartiges Aggregat ist insbesondere für hohe Antriebsleistungen, z. B. im Baumaschinenbereich gut geeignet. Hierbei ist es dann möglich, z. B. zwei der Axialkolbenpumpen im geschlossenen Kreis als Raupenantriebe beispielsweise einer Planierraupe zu betreiben und die dritte Axialkolbenpumpe zur Versorgung einer Arbeitshydraulik im offenen Kreis anzuordnen. Auch ein Baggerantrieb mit zwei Saugpumpen im offenen Kreis und mit einer Drehwerkspumpe im geschlossenen Kreis ist möglich.
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Bei einer Ausführung mit drei integrierten Axialkolbenpumpen ist die dritte Axialkolbenpumpe in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung axial zumindest teilweise im Bereich der Längserstreckung der Zylinder der Zylinder-Kolben-Baugruppen angeordnet. Gleichwohl ist es grundsätzlich möglich, auch bei einer Ausführung mit zwei Axialkolbenpumpen oder mit nur einer Axialkolbenpumpe in dem genannten Bereich eine Axialkolbenpumpe anzuordnen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Axialkolbenpumpen miteinander und mit der elektrischen Maschine durch eine ein- oder mehrteilige Antriebswelle drehsynchron gekoppelt, die kraftflussunterbrechungsfrei mit der Rotorbaugruppe, einer Nockenscheibe einer Ventilsteuerung der Axialkolbenbrennkraftmaschine und der elektrischen Maschine verbunden ist, wobei die elektrische Maschine an dem der Ventilsteuerung entgegengesetzten axialen Ende der Axialkolbenbrennkraftmaschine angeordnet ist.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der in den schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigt
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1 einen Schnitt längs der Drehachse einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit,
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2 einen Schnitt längs der Drehachse einer Variante der Antriebseinheit gemäß 1 und
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3 einen Schnitt längs der Drehachse einer zweiten Variante der Antriebseinheit gemäß 1.
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Die erfindungsgemäße Antriebseinheit weist eine Axialkolbenbrennkraftmaschine A mit einem Maschinengehäuse G auf, in dem sich mehrere, auf einem Teilkreis gleichmäßig verteilt über dessen Umfang angeordnete, gehäusfeste Zylinder GZ befinden. In jedem Zylinder GZ ist ein Kolben K längsbeweglich, der durch einen Verbrennungsvorgang in einem Brennraum GZB des Zylinders GZ axial in Richtung einer Hubscheibe T bewegbar ist. Die Kolben K können – wie in der Figur dargestellt – in Laufbuchsen gleiten, die in die Zylinder GZ eingebracht sind. Die Laufbuchsen können auch als sogenannte „nasse” Laufbuchsen zum Kühlmitteldurchfluss ausgebildet werden.
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Durch eine noch zu beschreibende Wirkverbindung zwischen den Kolben K und der Hubscheibe T wird letztere in Drehung versetzt und treibt eine Rotorbaugruppe R, die um eine zu den Zylindern GZ konzentrische Drehachse D rotiert. Hierbei weisen die Kolben K der Zylinder-Kolben-Baugruppen jeweils einen die Hubscheibe T hintergreifenden Brückenabschnitt KB auf, an den auf der Rückseite der Hubscheibe T (also auf der den Zylindern GZ abgewandten Seite der Hubscheibe T, d. h. in der Figur unten) ein Führungsabschnitt KF anschließt, der in eine gehäusefeste Führungsaufnahme GF eingreift, die – wie in der Figur dargestellt – mit einer Laufbuchse ausgestattet sein kann. Jeder Kolben K bildet zusammen mit seinem Brückenabschnitt KB und Führungsabschnitt KF sowie dem zugeordneten Zylinder GZ und der Führungsaufnahme GF eine Zylinder-Kolben-Baugruppe. Alle Zylinder-Kolben-Baugruppen zusammen umschließen einen sich über die Länge der Zylinder-Kolben-Baugruppen erstreckenden Zentralbereich AZ der Axialkolbenbrennkraftmaschine und begrenzen ihn somit radial nach außen.
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Sowohl der Führungsabschnitt KF als auch die Führungsaufnahme GF sind koaxial zur Kolbenmittelachse KMA angeordnet und jeweils mit einem kreiszylindrischen Querschnitt versehen. In jedem Brückenabschnitt KB ist auf der Vorderseite und auf der Rückseite der Hubscheibe T jeweils ein kugelsegmentförmiger Gleitkörper KG zwischen dem Kolben K und der Hubscheibe T angeordnet. Somit stehen die Kolben K mit der Hubscheibe T in Gleiteingriff. Dabei erzeugen Linearbewegungen der Kolben K aufgrund der geometrischen Verhältnisse bei der Zerlegung der axial gerichteten Kolbenkräfte Drehmomente, die eine Drehbewegung der Hubscheibe T und damit der Rotorbaugruppe R bewirken.
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Zur Schmierung und hydrostatischen Entlastung sind die Gleitkörper KG in Gleitkörperaufnahmen des Kolbens K gelagert, in denen kolbenseitige Schmiermittelkanäle KS münden, die mit einem im Bereich des Führungsabschnittes KF angeordneten Schmiermittelversorgungsanschluss S verbunden sind. Ferner sind die Gleitkörper KG mit einer auf der Hubscheibenoberfläche mündenden Schmiermittelbohrung SB versehen. Der auf der Rückseite der Hubscheibe T angeordnete Gleitkörper KG jedes Kolbens K ist mit einer Drucktasche versehen, in der eine druckbeaufschlagte Ausgleichsscheibe KGS dafür sorgt, dass zum Ausgleich von Verschleiss stets funktionssichere Eingriffsverhältnisse zwischen Kolben K, Gleitkörpern KG und Hubscheibe T vorliegen.
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Der Schmiermittelversorgungsanschluss S, der eine Axialbohrung SA im Führungsabschnitt KF umfasst, weist ein gehäusefestes Schmiermittelrohr SR auf, das an beiden Enden gelenkig gelagert ist und in die Axialbohrung SA eintaucht. Diese Posaunenrohr-Anordnung hat den Vorteil, dass jeweils der Raum GFR vor der Stirnseite des Führungsabschnitts KF des Kolbens K ölfrei bleiben kann. Diese Räume sind miteinander verbunden (beispielsweise durch einen in der Figur nicht dargestellten Ringkanal), so dass trotz oszillierender Kolbenbewegungen dort keine Luft komprimiert wird.
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Je nach Einbaulage der Axialkolbenbrennkraftmaschine A kann eine Absaugeinrichtung vorgesehen sein, die dafür sorgt, dass sich im Maschinengehäuse G ansammelndes Lecköl der hydrostatischen Lagerstellen abgesaugt wird. Durch die Ölabsaugung werden Planschverluste vermieden.
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Um zu verhindern, dass sich die Kolben K jeweils um ihre Kolbenmittelachse KMA drehen, weist jeder Brückenabschnitt KB einen als Kulissenstein KST ausgebildeten Radialfortsatz auf, der in eine gehäusefeste Kulisse GK einer Kolbenverdrehsicherung eingreift.
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Die Rotorbaugruppe R ist kraftflussunterbrechungsfrei mit einer als Hohlwelle ausgebildeten Steuerwelle WS verbunden, die zu einem das Maschinengehäuse G der Axialkolbenbrennkraftmaschine axial abschließenden Zylinderkopf GH führt und dort unter Zwischenschaltung eines Untersetzungsgetriebes U mit einer tellerförmigen Nockenscheibe N einer Ventilsteuerung V der Axialkolbenbrennkraftmaschine A in Antriebsverbindung steht. Die Ventilsteuerung V umfasst ferner mindestens zwei Ventile V1, V2 je Zylinder-Kolben-Baugruppe, die sich auf zwei Teilkreisen verschiedener Teilkreisdurchmesser befinden und im vorliegenden Ausführungsbeispiel achsparallel zu den Kolben K angeordnet sind. Auch davon abweichende Ventilanordnungen sind möglich.
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Die Ventile V1, V2 jeder Zylinder-Kolben-Baugruppe werden durch Nocken betätigt, die an der Unterseite der von der Steuerwelle WS und dem Untersetzungsgetriebe U in Drehung versetzten Nockenscheibe N angeformt sind. Hierbei bewirkt das Untersetzungsgetriebe U eine Drehzahluntersetzung von 2:1, wodurch ein Betrieb der Axialkolbenbrennkraftmaschine A nach dem Viertakt-Verbrennungsverfahren (Ottomotor oder Dieselmotor) ermöglicht wird.
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Am Außenumfang der Nockenscheibe N ist eine Verzahnung NZ angebracht, die in Zusammenwirkung mit einem induktiven Drehzahlaufnehmer I (strichpunktiert dargestellt) ein Drehzahlsignal für eine Motorsteuerung liefert. Ferner ist es möglich, durch die Nockenscheibe N mittels radial außen angeordneter Nocken (nicht dargestellt) eine oder mehrere Einspritzpumpen anzutreiben (Pumpe-Düse-System).
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Am axialen Außenende des Zylinderkopfs GH ist eine elektrische Maschine E angeordnet (beispielsweise angeflanscht oder in den Zylinderkopf GH integriert), die eine zur Steuerwelle WS konzentrische und durch diese in das Maschinengehäuse G der Axialkolbenbrennkraftmaschine A hineingeführte Triebwelle WT aufweist. Das innerhalb des Maschinengehäuses G angeordnete Ende der Triebwelle WT ist mit einer drehmomentübertragenden Wellenmuffe WM versehen.
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An einem einstückig mit der Hubscheibe T ausgebildeten, zylinderförmigen Rotorkörper RK der Rotorbaugruppe R ist ein Kupplungskäfig einer Kupplung C angeformt oder befestigt und bildet und zusammen mit diesem den Hauptbestandteil der Rotorbaugruppe R. Der Rotorkörper RK ist im Maschinengehäuse G drehbar gelagert, im vorliegenden Ausführungsbeispiel mittels zweier Kegelrollenlager. In dem Kupplungskäfig befinden sich mittels Federkraft in Schließstellung beaufschlagte, hydraulisch ausrückbare Lamellen CL, die wechselweise mit dem Kupplungskäfig (also mit dem Rotorkörper RK) und mit der Wellenmufffe WM drehstarr verbunden sind.
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Die Wellenmuffe WM verbindet die Triebwelle WT der elektrischen Maschine E mit einer Pumpenwelle WP1 einer in Schrägscheibenbauweise ausgeführten Axialkolbenpumpe P1, die im Zentralbereich AZ der Axialkolbenbrennkraftmaschine angeordnet ist. Die Pumpenwelle WP1 schliesst somit axial an die Triebwelle WT an und fluchtet zu dieser, ist also koaxial zu dieser angeordnet. Je nachdem, ob sich die Kupplung C in Schließ- oder Öffnungsstellung befindet, sind über die Kupplungsmufffe WM sowohl die Triebwelle WT als auch die Pumpenwelle WP drehsynchron mit der Rotorbaugruppe R verbunden oder von dieser getrennt. Es versteht sich, dass anstelle der beschriebenen (Lamellen-)Kupplung C prinzipiell auch andere kraft- und/oder formschlüssig wirksame Kupplungstypen zum Einsatz kommen können. Ferner ist es auch möglich, die Kupplung C nicht hydraulisch sondern elektromagnetisch auszurücken.
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Die Axialkolbenpumpe P1 befindet sich bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel in einem Axialabschnitt des Zentralbereichs AZ der Axialkolbenbrennkraftmaschine A, der durch die Längserstreckung der Führungsaufnahmen GF der Zylinder-Kolben-Baugruppen definert ist, also in einem Bereich hinter der Hubscheibe T. In radialer Richtung ist der Zentralbereich AZ durch einen Hüllkreises HKIF der Führungsaufnahmen GF begrenzt. Mit dem Begriff „innerer Hüllkreis” ist ein Kreis gemeint, dessen Mittelpunkt auf der Drehachse D liegt und dessen Umfangslinie sich radial innerhalb der Führungsaufnahmen GF befindet. Bei dem in der 1 dargestellten inneren Hüllkreis HKIF ist hinsichtlich des Durchmessers des Zentralbereichs AZ bereits eine technisch erforderliche Wandstärke der Führungsaufnahmen GF berücksichtigt, d. h. der dargestellte innere Hüllkreis HKIF hat einen geringeren Durchmesser als ein innerer Hüllkreis, der die Umfangslinien der Führungsaufnahmen GF tangential berührt.
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Der wälzgelagerte Rotorkörper RK ist in axialer Richtung zusätzlich an einem hydrostatischen Gleitlager L abgestützt, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel von der Axialkolbenpumpe P1 gespeist wird. Zu diesem Zweck ist die Axialkolbenpumpe P1 so ausgerichtet, dass eine Schrägscheibenaufnahme PS dem Rotorkörper RK benachbart ist. Zur Versorgung des Gleitlagers L mit Drucköl sind Verbindungsbohrungen in der Schrägscheibenaufnahme PS an ohnehin vorhandene Bohrungen einer hydrostatischen Schrägscheibenentlastung angeschlossen sind. Die Druckölversorgung des Gleitlagers L erfolgt also über die Lagerung der Schrägscheibe der Axialkolbenpumpe P1 und somit auf kurzem Wege.
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Darüber hinaus ist die Schrägscheibenaufnahme PS nicht gehäusefest sondern axial beweglich, jedoch verdrehgesichert und liegt federbelastet gegen den Rotorkörper RK an. Durch diese Bauweise werden die axialen Kolbenkräfte der Arbeitskolben der Axialkolbenpumpe P1, die über die Schrägscheibe an der Schrägscheibenaufnahme PS abgestützt sind, auf den Rotorkörper RK übertragen und wirken dort den axialen Kolbenkräften der Kolben K der Axialkolbenbrennkraftmaschine entgegen. Die axiale Belastung der Wälzlagerung des Rotorkörpers R wird somit verringert.
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Die weiter oben beschriebene, im Bereich der Wirkverbindung zwischen den Kolben K und der Hubscheibe T vorhandene hydrostatische Entlastung erfolgt bevorzugt ebenfalls mit Druckmittel aus der Axialkolbenpumpe P1.
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Für die Schmierung von Gleit- und Laufpartnern der Axialkolbenbrennkaftmaschine A durch gezieltes Sprühöl und für die Betätigung der schaltbaren Kupplung C (Öffnen der Kupplung C) ist eine als Zahnrad- oder Zahnringpumpe ausgebildete hydraulische Hilfspumpe PZ vorgesehen, die auch für die Ölabsaugung aus dem Maschinengehäuse G eingesetzt wird. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Hilfspumpe PZ im Bereich eines Versorgungskanäle aufweisenden gemeinsamen Abschlussdeckels GA der Axialkolbenbrennkraftmaschine A und der Axialkolbenpumpe P1 angeordnet und wird von der Pumpenwelle WP1 angetrieben. Die Pumpenwelle WP1 kann – wie dargestellt – durch den Abschlussdeckel GA hindurchgeführt und mit einer Drehmomentabgriffsmöglichkeit versehen sein, um weitere Komponenten antreiben zu können. Auch die Triebwelle WT der elektrischen Maschine E kann zum Antrieb externer Komponenten mit einer Drehmomentabgriffsmöglichkeit am maschinenäußeren Ende versehen sein (nicht dargestellt).
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Die elektrischen Maschine E ist als Schwungrad-Generator-Motor-Modul ausgebildet und vereinigt somit in einer einzigen Baueinheit die Funktionen Schwungrad der Axialkolbenbrennkraftmaschine A, Generator und Elektromotor, der auch als Anlassvorrichtung für die Axialkolbenbrennkraftmaschine A genutzt wird. Damit bei geöffneter Kupplung C, also bei abgekoppelter elektrischer Maschine E und dann fehlender rotierender Schwungmasse ein gleichmäßiger Rundlauf der Axialkolbenbrennkraftmaschine A sichergestellt ist, kann die Masse der Nockenscheibe N der Ventilsteuerung V dementsprechend vergrößert sein oder es ist eine Zusatzmasse vorgesehen, deren Rotationsenergie als Schwungmasse genutzt wird.
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Die Axialkolbenpumpe P1 kann parallel durch die Axialkolbenbrennkraftmaschine A und die elektrische Maschine E angetrieben werden, sofern letztere mit einem elektrischen Energiespeicher versehen ist. Die elektrische Maschine E kann dabei als Booster eingesetzt werden. Der Axialkolbenmotor A braucht demnach nicht auf Leistungsspitzen ausgelegt zu werden und kann dementsprechend kleiner ausgeführt sein. Wird von der Axialkolbenpumpe P1 wenig Leistung benötigt, so kann die elektrische Maschine E generatorisch betrieben werden, um den elektrischen Energiespeicher zu füllen. Der Energiespeicher kann alternativ oder zusätzlich durch Rekuperation gefüllt werden.
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Im Rahmen der vorhandenen Speicherkapazität des elektrischen Energiespeichers und dessen Füllungsgrades ist auch ein alleiniger Antrieb der Axialkolbenpumpe P1 durch die elektrische Maschine E möglich (emissionsfreier Betrieb).
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Bei der in 2 dargestellten Variante der erfindungsgemäßen Axialkolbenbrennkraftmaschine ist zusätzlich eine zweite Axialkolbenpumpe P2 in den Zentralbereich AZ integriert. Hierbei sind beide Axialkolbenpumpen P1, P2 koaxial und zueinander benachbart in back-to-back-Bauweise im Bereich der Längserstreckung der Rotorbaugruppe R und der Führungsaufnahmen GF angeordnet. Die Pumpenwelle WP der ersten Axialkolbenpumpe P1 ist drehsynchron mit einer Pumpenwelle WP2 der zweiten Axialkolbenpumpe gekoppelt. Durch die back-to-back-Anordnung ist es möglich, die beiden Axialkolbenpumpen P1, P2 mit einer gemeinsamen Saugleitung auszustatten.
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Die erste Axialkolbenpumpe P1 befindet sich nunmehr axial verschoben innerhalb des Rotorkörpers RK. Die Kupplung C ist axial außerhalb des Rotorkörpers RK und radial im Bereich zwischen der Drehachse D und einem inneren Hüllkreis HKIZ der Zylinder GZ der Zylinder-Kolben-Baugruppen angeordnet. Bei dem in der 2 dargestellten inneren Hüllkreis HKIZ ist analog zu dem in 1 dargestellten inneren Hüllkreis HKIF hinsichtlich des Durchmessers des Zentralbereichs AZ. bereits eine technisch erforderliche Wandstärke der Zylinder GZ berücksichtigt. Somit hat der dargestellte innere Hüllkreis HKIZ einen geringeren Durchmesser als ein innerer Hüllkreis, der die Umfangslinien der Zylinder GZ tangential berührt.
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Das Gleitlager L, das im Inneren des Rotorkörper RK zwischen diesem und der Schrägscheibenaufnahme PS der ersten Axialkolbenpumpe P1 angeordnet ist, weist ein zusätzliches Druckfeld auf, dass an die Hilfspumpe PZ bzw. an einen zum Lösen der Kupplung C vorgesehenen Druckmittel-Versorgungskanal angeschlossen ist. Dadurch steht auch dann hydrostatischer Entlastungsdruck zur Verfügung, wenn die erste Axialkolbenpumpe P1 auf Fördervolumen Null eingestellt ist und daher kein Drucköl fördert. Es versteht sich, dass alternativ oder zusätzlich auch die zweite Axialkolbenpumpe P2 zur Versorgung des hydrostatischen Gleitlagers L genutzt werden kann. Es ist in diesem Zusammenhang auch möglich, durch eine Wechselventilkette den jeweils höchsten Druck der an das Gleitlager L angeschlossenen Pumpen zur hydrostatischen Entlastung heranzuziehen.
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Bei der in 3 dargestellten Variante der erfindungsgemäßen Axialkolbenbrennkraftmaschine ist gegenüber der Variante gemäß 2 zusätzlich eine dritte Axialkolbenpumpe P3 in den Zentralbereich AZ integriert. Diese befindet sich radial im Bereich zwischen der Drehachse D und dem bereits erläuterten, inneren Hüllkreis HKIZ der Zylinder GZ der Zylinder-Kolben-Baugruppen und axial im Bereich der Längserstreckung der Zylinder GZ und eines Teils der Ventilsteuerung V. Die dritte Axialkolbenpumpe P3 ragt somit in den Zylinderkopf GH hinein. Die elektrische Maschine E ist an dem der Ventilsteuerung V entgegengesetzten Ende der Axialkolbenbrennkraftmaschine A angeordnet.
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Da bei diesem Aggregat, das für hohe Leistungen insbesondere im Baumaschinenbereich prädestiniert ist, aufgrund der beschränkten Leistungsfähigkeit der auf dem Markt erhältlichen Energiespeicher ein rein elektrischer Betrieb im Prinzip ausscheidet, ist keine schaltbare Kupplung in der Rotorbaugruppe R erforderlich.
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Der Rotorkörper RK steht mit einem Zylinderblock P1ZB der innerhalb des Rotorkörpers RK angeordneten ersten Axialkolbenpumpe P1 in direkter Antriebsverbindung, bevorzugt über eine Außenverzahnung des Zylinderblocks P1ZB, der innen mit der Pumpenwelle WP1 gekoppelt ist. Die Pumpenwelle WP1 der ersten Axialkolbenpumpe P1 ist wie bereits zu 2 beschrieben mit der Pumpenwelle WP2 der zweiten Axialkolbenpumpe P2 drehsynchron verbunden. Die Pumpenwelle WP2 der zweiten Axialkolbenpumpe P2 dient zugleich als Triebwelle der elektrischen Maschine E. Eine Pumpenwelle WP3 der dritten Axialkolbenpumpe P3 ist an einem Ende mit der ersten Pumpenwelle WP1 and am entgegengesetzten Ende mit einer zur Ventilsteuerung V führenden Zwischenwelle WZ verbunden.
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Die Pumpenwellen WP1, WP2 und WP3 bilden somit in Verbindung mit der Zwischenwelle WZ eine mehrteilige Antriebswelle, die kraftflussunterbrechungsfrei mit dem Rotorkbrper RK, der Ventilsteuerung V und der elektrischen Maschine E in Verbindung steht. Die Antriebswelle ist dabei querkraftfrei und stellt einen Drehmomentstab dar, der dementsprechend platzsparender dimensioniert werden kann als eine Antriebswelle, die auch Biegekräfte aufnehmen muss.
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Liste der verwendeten Bezugszeichen:
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- A
- Axialkolbenbrennkraftmaschine
- AZ
- Zentralbereich der Axialkolbenbrennkraftmaschine
- C
- Kupplung
- CL
- Lamellen
- D
- Drehachse
- E
- elektrische Maschine
- G
- Maschinengehäuse
- GA
- Abschlussdeckel
- GF
- Führungsaufnahme
- GFR
- Raum vor der Stirnseite der Führungsabschnitte KF
- GH
- Zylinderkopf
- GK
- Kulisse
- GZ
- Zylinder
- GZB
- Brennraum
- HKIF
- innerer Hüllkreis der Führungsaufnahmen GF
- HKIZ
- innerer Hüllkreis der Zylinder GZ
- I
- induktiver Drehzahlaufnehmer
- K
- Kolben
- KB
- Brückenabschnitt
- KF
- Führungsabschnitt
- KG
- Gleitkörper
- KGS
- Ausgleichsscheibe
- KMA
- Kolbenmittelachse
- KS
- Schmiermittelkanal
- KST
- Kulissenstein
- L
- hydrostatisches Gleitlager
- N
- Nockenscheibe
- NZ
- Verzahnung NZ
- P1
- Axialkolbenpumpe
- P1ZB
- Zylinderblock der Axialkolbenpumpe P1
- P2
- zweite Axialkolbenpumpe
- P3
- dritte Axialkolbenpumpe
- PS
- Schrägscheibenaufnahme
- PZ
- Hilfspumpe
- R
- Rotorbaugruppe
- RK
- Rotorkörper
- S
- Schmiermittelversorgungsanschluss
- SA
- Axialbohrung
- SB
- Schmiermittelbohrung
- SR
- Schmiermittelrohr
- T
- Hubscheibe
- U
- Untersetzungsgetriebe
- V
- Ventilsteuerung
- V1
- Ventil
- V2
- Ventil
- WM
- Wellenmuffe der Triebwelle WT
- WP1
- Pumpenwehe der Axialkolbenpumpe P1
- WP2
- Pumpenwelle der Axialkolbenpumpe P2
- WP3
- Pumpenwelle der Axialkolbenpumpe P3
- WS
- Steuerwelle
- WT
- Triebwelle der elektrischen Maschine E
- WZ
- Zwischenwelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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