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Die Erfindung geht aus von einer Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise, die die Merkmale aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufweist.
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Bekannte Axialkolbenmaschinen dieser Bauart besitzen eine in einem Gehäuse drehbar gelagerte Zylindertrommel mit einer Mehrzahl von Zylinderbohrungen mit darin längsverschiebbaren Kolben, die sich an einer Schrägscheibe abstützen.
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Die
EP 0 767 864 B1 beschreibt eine in der Praxis bevorzugte Ausführungsform einer Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise. Die Kolben führen während der Rotationsbewegung der Zylindertrommel in den Zylindern eine translatorische Hubbewegung aus. Die Kolbenköpfe sind dabei in ständigem Kontakt mit der Schrägscheibe, die in einem bestimmten Winkel zur Zylindertrommelachse angeordnet ist. Pro Umdrehung der Zylindertrommel führt jeder Kolben einen Hub aus. Das Drehmoment entsteht aufgrund der Ausführung der Paarung Kolbenkopf – Schrägscheibe an der Zylindertrommel. Der Kolbenkopf ist meist als Spitze, sphärische Fläche oder als Gleitschuh ausgebildet und die Oberfläche der Schrägscheibe ist eben. Die Reaktionskraft der Schrägscheibe ist, bei Vernachlässigung der Reibkräfte eine senkrechte, d. h. parallel zur Schrägscheibenachse wirkende Kraft, die im Mittelpunkt des Kolbenkopfes angreift und über den Kolben auf die Zylinderwände in der Zylindertrommel wirkt. Die im Kolbenkopf angreifende Reaktionskraft der Schrägscheibe lässt sich in eine Kraftkomponente in Umfangsrichtung und in eine Kraftkomponente in radiale Richtung zerlegen. Die Kraftkomponente in Umfangsrichtung erzeugt das Drehmoment. Bei einer ebenen Schwenkwiege entsteht immer auch eine Kraftkomponente in radiale Richtung. Diese erhöht dementsprechend die Querbelastungen im Kolben und im Zylinder und reduziert anteilig das zu übertragene Drehmoment. Der Kolben wird dadurch auf Biegung beansprucht. Wenn bei einer kompletten Drehung der Zylindertrommel um 360° jeder Kolben einen Saug- und einen Kompressionshub durchläuft, befinden sich die Kolben bei der Umsteuerung der Kolbenräume zwischen Saug- und Druckseite jeweils in einem ihrer Totpunkte. Während dieser Phase sind die radialen Kraftkomponenten maximal, während sie nach einer weiteren Viertelumdrehung null sind. Somit treten die auf die Kolben negativ wirkenden radialen Kraftkomponenten insbesondere beim Durchlaufen der Totpunkte auf, sodass das die Summe der radialen Kraftkomponenten als Verlustkraft sowohl das Kolben-Zylindertrommelpaar stark beanspruchen als auch das Drehmoment negativ beeinflussen und somit den Wirkungsgrad der Axialkolbenmaschine schmälern. Durch die vorstehend beschriebene Art der Abstützung der Kolben an der Schrägscheibe mittels Kugelgelenk-Gleitschuhen baut die Axialkolbenmaschine länger.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so weiterzuentwickeln, dass bei kurzer Baulänge durch eine Reduzierung der Verlustkräfte eine Verbesserung des Wirkungsgrades erzielt wird.
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Diese Aufgabe wird für eine Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff durch eine zusätzliche Ausstattung mit den Merkmalen aus dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.
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Bei einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise wirkt auf die Kolben keine Kraftkomponente in radialer Richtung.
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Dadurch dass die Kraftkomponente in radialer Richtung entfällt, werden die auf den Kolben und die Kolbenführung im Zylinder wirkende Kräfte um diesen Anteil reduziert. Somit wird die Belastung der Bauteile reduziert und dem Drehmoment wirken keine Querkräfte entgegen. Dadurch steigt der Wirkungsgrad der Axialkolbenmaschine.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die Schrägscheibe eine Lauffläche auf, die derart ausgeführt ist, dass die Längsachse des Kolbens im jeweiligen Berührungspunkt in radialer Richtung senkrecht zur Lauffläche verläuft. Hierdurch erfährt der Kolben nur eine Kraftkomponente in Umfangs- bzw. Laufrichtung, eine radiale Kraftkomponente tritt hier nicht auf. Die Schrägscheibenoberfläche weist Krümmungen auf, die es aus fertigungstechnischer Sicht einfach ermöglichen, die Lauffläche des Kolbens senkrecht zu seiner Längsachse auszubilden.
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Vorzugsweise ist die Lauffläche in radialer Richtung krümmungsfrei ausgebildet, sodass der Kolben ohne Führung und im jeweiligen Berührungspunkt punktförmig über die Lauffläche gleitet.
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Wenn die Lauffläche eine umlaufende Nut aufweist, kann der Kolben linienförmig geführt werden. Diese Ausführungsform erweist sich als besonders vorteilhaft, wenn der Kolbenkopf als eine Kugel ausgebildet ist und die Kugel direkt auf der Lauffläche der Schrägscheibe abrollt.
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Es ist vorteilhaft, das schrägscheibenseitige Ende des Kolbens rotationssymmetrisch auszubilden. Hierbei liegt der Kolbenkopf nicht flächig an der Schrägscheibe an, sodass eine hydrostatische Entlastung zwischen Kolbenkopf und Schrägscheibe entfällt.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführung ist die kugelförmige Ausbildung des schrägscheibenseitigen Endes des Kolbens. Hierbei baut die Axialkolbenmaschine insgesamt kürzer.
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Wenn das schrägscheibenseitige Ende des Kolbens als Kugel ausgebildet ist, baut der Kolben und damit die Axialkolbenmaschine besonders kurz, die Herstellung des Kolbens ist besonders einfach und kostengünstig, die Austraglänge des Kolbens aus dem Zylinder heraus ist reduziert und Nachteile, die eine Gleitschuhlösung mit sich bringt wie z. B. die Verkippneigung der Gleitschuhe, entfallen. Eine hochpräzise glatte Ausbildung der Gleitscheibenoberfläche entfällt durch die rotationssymmetrische bzw. kugelförmige Ausbildung des Kolbenkopfes.
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Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise sind in den Zeichnungen dargestellt. Anhand der Figuren dieser Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert.
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Es zeigen
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1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise,
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2 einen Längsschnitt durch eine Kolben-Gleitschuh-Verbindung an einer Schrägscheibe mit ebener Oberfläche gemäß dem Stand der Technik und
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3 einen Längsschnitt durch einen Kolben mit kugeligem Kopf an einer erfindungsgemäßen Schrägscheibe.
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Die in 1 dargestellte Axialkolbenmaschine 1 in Schrägscheibenbauweise weist ein Triebwerk 2 auf, das in einem Gehäuse 3 angeordnet ist. Das Triebwerk 2 umfasst als wesentliche Bauteile eine drehbar gelagerte Triebwelle 4 mit einer drehfest verbundenen Zylindertrommel 5. Die Zylindertrommel 5 hat auf einem Teilkreis angeordnete, axial verlaufende Zylinderbohrungen 6, in denen Kolben 7 längsverschiebbar angeordnet sind. Die Kolben 7 begrenzen mit der Zylindertrommel 5 jeweils einen Verdrängerraum 8, der über eine Steuerscheibe 9 mit einem nicht abgebildeten Druck- oder Sauganschluss verbindbar ist.
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Die in den Zylinderbohrungen 6 längsverschiebbar geführten Kolben 7 sind vorzugsweise zylindrisch ausgeführt. Die zylindertrommelabseitigen Enden der Kolben 7 stützen sich jeweils über ein Gelenk 10 an einer Schrägscheibe 11 ab. Die Schrägscheibe 11 wird von der Triebwelle 4 durchsetzt. In dieser Figur ist nicht dargestellt, dass sie als Schwenkwiege mit halbzylindrischem Querschnitt ausgebildet und in einem sphärischen Lager schwenkbar und in der jeweiligen Schwenkstellung durch eine Verstellvorrichtung 12 feststellbar angeordnet ist. An ihrer der Zylindertrommel 5 zugewandten Seite ist eine Lauffläche 13 als ebene Fläche ausgebildet.
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Bei einer Drehung der Triebwelle 4 dreht sich aufgrund der drehfesten Verbindung auch die Zylindertrommel 5 mitsamt den Kolben 7. Wenn durch Betätigung der Verstellvorrichtung 12 die Schrägscheibe 11 in eine Schrägstellung gegenüber der Zylindertrommel 5 verschwenkt ist, führen die Kolben 7 Hubbewegungen aus. Bei einer kompletten Drehung der Zylindertrommel 5 durchläuft jeder Kolben 7 einen Saug- und einen Kompressionshub, wobei entsprechende Ölströme erzeugt werden, deren Zu- und Abführung über nicht dargestellte Mündungskanäle, die Steuerscheibe 9 und nicht dargestellten Druck- und Saugkanal erfolgen.
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Die 2 und 3 zeigen nun verschiedenartig ausgebildete Gelenke, über die sich die zylindertrommelabseitigen Enden der Kolben an verschiedenartig ausgebildeten, nicht verstellbaren Schrägscheiben abstützen.
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Die 2 zeigt ein Gelenk 20 in Form eines Kolben-Gleitschuh-Paares, an einer ebenen Oberfläche 21 einer nicht verstellbaren Schrägscheibe 22 abstützend. Das Gelenk 20 besteht aus einem Kolben 24 und einem flächig abstützenden Gleitschuh 30. Der Kolben 24 weist einen Kolbenschaft 25, einen Kolbenhals 26 und einen kugelförmigen Kolbenkopf 27 auf. Der Kolbenkopf 27 ist in einer teilkugelförmigen Ausnehmung 29 des Gleitschuhes 30 drehbar gelagert.
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Die kugelförmige Ausnehmung 29 umgreift eine obere Hälfte des Kolbenkopfes 27. Der Kolben 24 weist zur hydrostatischen Entlastung der Kolben-Gleitschuh-Verbindung 20 entlang der Mittelachse einen Durchgangskanal 31 auf, der in die teilkugelförmige Ausnehmung 29 des Gleitschuhes 30 führt. Der Gleitschuh 29 hat einen Gleitschuhboden 31. Im Gleitschuhboden 32 ist eine Drucktasche 34 zur hydrostatischen Entlastung des Gleitschuhes 30 angeordnet, die über einen Durchgangskanal 33 mit der teilkugelförmigen Ausnehmung 29 in Verbindung steht.
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Im Betrieb laufen die Gleitschuhe 20 direkt auf der ebenen Oberfläche 21 der Schrägscheibe 22. Bei einer kompletten Drehung der Zylindertrommel um 360° durchläuft jeder Kolben 24 einen Saug- und einen Kompressionshub. Beider Umsteuerung der Kolbenräume zwischen Saug- und Druckseite befinden sich die Kolben 24 jeweils in einem ihrer Totpunkte OT bei 180° oder UT bei 0° oder 360°. Die im Kolbenkopf 27 angreifende Reaktionskraft FS der Schrägscheibe 22 weist eine Kraftkomponente in Umfangsrichtung FU auf, die für die Drehmomenterzeugung zuständig ist. Jedoch entsteht auch eine Kraftkomponente in Normalrichtung FN und in radiale Richtung FR, die den Kolben in Querrichtung belastet. Die radiale Kraftkomponente mindert anteilig die Umsetzung des Momentes in die Kraft FS. Im Bereich des oberen Totpunktes und des unteren Totpunktes ist die radiale Kraftkomponente FR = maximal, während nach einer weiteren Viertelumdrehung bei 90° bzw. 270° die radiale Kraftkomponente FR = null ist. Die Kraftkomponente FR wirkt störend, weil der Mittelpunkt des Kugelgelenkes stets außerhalb der Zylinderbohrung liegt und dadurch der Kolben 24 auf Biegung beansprucht wird.
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Es gibt verschiedene Kolben-Gleitschuh-Varianten sei es die oben beschriebene Variante oder z. B. die Variante, bei der der Gleitschuh kolbenseitig einen kugelförmigen Kopf aufweist und der Kolben gleitschuhseitig eine kugelförmige Ausnehmung hat. Je nach Anwendungsfall wird ein entsprechendes Kolben-Gleitschuh-Paar gewählt, das in allen Fällen eine gleitfähige Abstützung an der Oberfläche der Schrägscheibe gewährleistet. An das Kolben-Gleitschuh-Paar werden neben konstruktiven Forderungen an die Materialbeschaffenheit von Kolben und Gleitschuh auch Forderungen nach möglichst geringen Verschleiß sowie großer Belastbarkeit gestellt. Hierauf übt die radiale Kraftkomponente FR negativen Einfluss aus.
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Die 3 zeigt ein an einer erfindungsgemäßen, gekrümmten Oberfläche 41 einer nicht verstellbaren Schrägscheibe 42 abstützendes Gelenk 40, das aus einem Kolben 44 und einer an der Schrägscheibe 42 abrollenden Kugel 48 besteht. Der Kolben 44 weist einen Kolbenschaft 45 auf. Das schrägscheibenseitige Ende 46 des Kolbens 44 hat eine teilkugelförmige Ausnehmung 47, in der die Kugel 48 drehbar gelagert ist. Die teilkugelförmige Ausnehmung 47 umgreift eine untere Hälfte der Kugel 48 und endet mit einem rohrförmigen Rand 49. Der Kolben 44 weist zur hydrostatischen Entlastung entlang der Mittelachse einen Durchgangskanal 51 auf, der in die teilkugelförmige Ausnehmung 47 des Kolbenendes 46 führt. Die Schrägscheibe 42 weist eine Lauffläche 53 auf, die in Laufrichtung der Kolben 44 nicht in radiale Richtung geneigt ist und deshalb im jeweiligen Berührungspunkt des Kolbens 44 in radialer Richtung senkrecht zu dessen Längsachse verläuft. Dabei kann die Lauffläche 53 in radialer Richtung krümmungsfrei ausgebildet sein oder eine umlaufende Nut 54 aufweisen.
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Die im Betrieb im Mittelpunkt der Kugel 48 angreifende Reaktionskraft FS der Schrägscheibe 42 teilt sich aufgrund der Laufflächengeometrie nur in eine Normalkraft FN und eine Umfangskraft FU auf, die für die Drehmomenterzeugung zuständig ist. Aufgrund der Laufflächengeometrie treten zu keinem Zeitpunkt radiale Kräfte auf.
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Eine radiale Kraftkomponente, die die Reibverluste und Abnutzungserscheinungen am Kolben-Zylinder-Paar bei einem Kolben-Gleitschuh-Gelenk erhöht, entsteht hier nicht.
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Die Lauffläche 53 kann in radialer Richtung krümmungsfrei oder mit einer umlaufenden Nut 54 ausgeführt sein. Mit der Nut 54 in der Lauffläche 53 erfährt der Kolben zusätzlich eine linienförmige Führung. Die Nut kann sphärisch oder v-förmig ausgebildet sein.
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Es könnte aus kostentechnischer und funktionstechnischer Sicht vorteilhaft sein, eine eigenständige Lauffläche zu integrieren, sodass die Lauffläche 53 auch als eigenständiges Bauteil ausgeführt sein könnte. Der Hub des Kolbens 44 kann als Funktion des Drehwinkels beliebig durch die Hubkurve festgelegt sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Axialkolbenmaschine
- 2
- Triebwerk
- 3
- Gehäuse
- 4
- Triebwelle
- 5
- Zylindertrommel
- 6
- Zylinderbohrungen
- 7
- Kolben
- 8
- Verdrängerraum
- 9
- Steuerscheibe
- 10
- Gelenk
- 11
- Schrägscheibe
- 12
- Verstellvorrichtung
- 13
- Lauffläche
- 20
- Kolben-Gleitschuh-Paar
- 21
- Oberfläche
- 22
- Schrägscheibe
- 24
- Kolben
- 25
- Kolbenschaft
- 26
- Kolbenhals
- 27
- Kolbenkopf
- 29
- teilkugelförmige Ausnehmung
- 30
- Gleitschuh
- 31
- Durchgangskanal
- 32
- Gleitschuhboden
- 33
- Durchgangskanal
- 34
- Drucktasche
- 40
- Gelenk
- 41
- gekrümmte Oberfläche
- 42
- Schrägscheibe
- 44
- Kolben
- 45
- Kolbenschaft
- 46
- Schrägscheibenseitiges Ende
- 47
- Teilkugelförmige Ausnehmung
- 48
- Kugel
- 49
- Rohrförmiger Rand
- 50
- Durchgangskanal
- 51
-
- 52
- Lauffläche
- 53
- Nut
- OT
- oberer Totpunkt
- UT
- unterer Totpunkt
- FS
- Reaktionskraft Schrägscheibe
- FR
- Kraftkomponente in radiale Richtung
- FU
- Kraftkomponente in Umfangsrichtung
- FN
- Kraftkomponente in Normalrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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