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Die Erfindung betrifft eine einen Kolben und eine Rolle umfassende Kolbeneinheit für eine Radialkolbenmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Bei Kolbeneinheiten für Radialkolbenmaschinen sind verschiedene Ansätze bekannt.
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Die
DE 692 11 238 T2 und die
DE 100 41 318 A1 zeigen Radialkolbenmaschinen mit mehreren Zylindern, die sternförmig angeordnet sind. Jedem Zylinder ist eine Kolbeneinheit zugeordnet.
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Die Druckschrift
DE 40 37 455 C1 zeigt eine Radialkolbenmaschine mit mehreren Zylindern, die sternförmig in einem Rotor angeordnet sind. Jedem Zylinder ist eine Kolbeneinheit zugeordnet. Die Kolbeneinheit hat einen Stufenkolben, der sich radial nach außen über eine jeweilige Rolle an einer Hubkurve der Radialkolbenmaschine abstützt. Da die Hubkurve als Stator ausgebildet ist und eine Wellenform hat, wird bei rotierendem Rotor eine oszillierende Hubbewegung der Stufenkolben ausgeführt. Die Rollen sind über ihre gesamte Länge kreiszylindrisch ausgeführt.
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Nachteilig an derartigen Kolbeneinheiten ist die Reibung, die zwischen dem Stufenkolben und der zugeordneten Rolle entsteht. Weiterhin ist eine hohe Hertzsche Pressung, die insbesondere an den Endabschnitten der kreiszylindrischen Rollen entsteht, von Nachteil.
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Zur Verringerung der Hertzschen Pressung ist es gemäß dem Stand der Technik bekannt, an den Endabschnitten der Rollen stetige Durchmesserverringerungen, also Bombierungen vorzusehen.
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In der Druckschrift
DE 27 31 474 A1 sind Kolbeneinheiten gezeigt, bei denen zwischen einem Kolben und einer Rolle eine Druckentlastung vorgesehen ist. Sie hat eine am Kolben in einem Anlagebereich mit der Rolle angeordnete flache Vertiefung. Diese wird über einen den Kolben durchsetzenden Kanal mit Arbeitsdruck aus dem zugeordneten Zylinder beaufschlagt.
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Die Länge einer Vertiefung einer derartigen Druckentlastung ist bei bombierten Rollen begrenzt, da die Vertiefung sich nur entlang dem kreiszylindrischen Abschnitt der Rolle erstrecken kann.
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Dem entsprechend zeigt die Druckschrift
DE 27 31 474 A1 eine Kolbeneinheit mit Druckentlastung und mit einer hohlzylindrischen Rolle, die eine vergleichsweise dünne und schwache Wandung hat. Dabei wird der Innenraum der Rolle mit Arbeitsdruck des zugeordneten Zylinders beaufschlagt. Auf diese Weise wird die Hertzsche Pressung der geschwächten Rolle mit der Hubkurve verringert.
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Nachteilig an der letztgenannten Kolbeneinheit ist der vorrichtungstechnische Aufwand zur Verringerung der Hertzschen Pressung.
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Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Kolbeneinheit mit Druckentlastung zu schaffen, die eine sehr große Entlastungskraft bietet. Dabei soll die Hertzsche Pressung mit geringem Aufwand verringert sein. Eine vorbestimmte Steifigkeit und einer Dämpfungswirkung soll einstellbar sein, und es soll einer eventuellen Materialermüdung vorgebeugt werden.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kolbeneinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Die erfindungsgemäße Kolbeneinheit einer Radialkolbenmaschine hat einen Kolben und eine Rolle bzw. einen Rollenkörper, die bzw. der - abgesehen von einer Fase oder dergleichen - einen kreiszylindrischen Mantel hat. In einem Anlagebereich zwischen dem Kolben und der Rolle ist eine hydrostatische Druck- bzw. Kraftentlastung vorgesehen, die dort ein Druckfeld bildet. Dabei hat die Rolle eine stirnseitige Ausnehmung. Durch diese Ausnehmung wird die Rolle an einem zugeordneten Endabschnitt leicht geschwächt, so dass die Hertzsche Pressung mit minimalem Aufwand verringert ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Kolbeneinheit ist die Ausnehmung zur Einstellung einer vorbestimmten Steifigkeit und einer Dämpfungswirkung und zur Vorbeugung einer eventuellen Materialermüdung des zugeordneten Endabschnitts mit Kunststoff ausgefüllt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung hat die Rolle zwei stirnseitige etwa konzentrische Ausnehmungen, die jeweils von einem etwa konzentrischen Ringabschnitt umgeben sind. Zwischen den beiden geschwächten Ringabschnitten ist ein Hauptabschnitt aus Vollmaterial angeordnet.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat die Druckentlastung eine flache Vertiefung, die am Kolben im Anlagebereich angeordnet ist. Dabei ist die Vertiefung über einen Kanal mit einer inneren Stirnfläche oder mit einer umlaufenden Fläche des Kolbens verbunden. Diese Flächen sind Arbeitsflächen des Kolbens und daher mit Arbeitsdruck beaufschlagt.
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Dabei wird es besonders bevorzugt, wenn sich die Vertiefung im Wesentlichen über eine gesamte Länge der Rolle erstreckt. Damit ist das Druckfeld und somit die Entlastungskraft maximiert. Damit ist z.B. im Falle eines Radialkolbenmotors dessen Anfahrwirkungsgrad verbessert.
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Vorzugsweise ist die Vertiefung etwas kürzer als der Mantel der Rolle, so dass jeweils ein Dichtbereich zwischen der Vertiefung und der jeweiligen Stirnfläche der Rolle verbleibt.
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Dabei wird es bevorzugt, wenn der Kunststoff ein Elastomer ist.
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Zur Schaffung eines High-Displacement-Stufenkolbens (HD) mit einem gegenüber dem Stand der Technik vergrößerten Fördervolumen wird gemäß einer Weiterbildung ein gegenüber einem Zapfenabschnitt radial erweiterter Hauptabschnitt vorgesehen, der entlang einer Rotationsachse der Rolle länger ist als quer dazu.
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Der Kolben kann einen Kern und eine metallische Ummantelung oder eine Ummantelung aus Kunststoff haben, die gegenüber dem Kern eine verringerte Härte hat. Der Kern kann dabei Stabilitäts- und Stützfunktionen des Kolbens übernehmen, während die Ummantelung Dichtfunktionen gegenüber dem Zylinder und der Rolle übernehmen kann. Weiterhin wird eine Passungstoleranz des Zylinders mit einem derartigen Kolben verringert, wodurch der Fertigungsaufwand der erfindungsgemäßen Kolbeneinheit verringert ist. Weiterhin kann die Leckage und/oder die Reibung zwischen Kolben und Zylinder verringert werden, wodurch der Wirkungsgrad der entsprechenden Radialkolbenmaschine verbessert wird.
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Im Folgenden werden anhand der Figuren verschiede Ausführungsbeispiele der Erfindung detailliert beschrieben. Es zeigen:
- 1 einen Teil einer Radialkolbenmaschine im seitlichen Schnitt mit einem ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kolbeneinheit;
- 2 eine Rolle des ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Kolbeneinheit in einer Ansicht; und
- 3a-c einen Stufenkolben gemäße einem zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kolbeneinheit.
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1 zeigt einen Ausschnitt einer Radialkolbenmaschine mit einem ersten Ausführungsbeispiel erfindungsgemäßer Kolbeneinheiten 14, 16, 10 in einer seitlichen geschnittenen Darstellung. Die Radialkolbenmaschine hat eine umlaufende wellenförmige Hubkurve 1 und acht Zylinder 6, 8 mit entsprechenden Kolbeneinheiten14, 16, 10, von denen in 1 nur drei komplett und zwei weitere teilweise dargestellt sind. Die Zylinder 6, 8 sind radial bzw. sternförmig in einem Rotor 2 angeordnet, während die Hubkurve 1 an einer Hubscheibe 4 ausgebildet ist. Rotor 2 und Hubscheibe 4 können sich relativ zueinander drehen. Eine Radialkolbenmaschine der gezeigten Art wird üblicherweise als Hydromotor benutzt, wobei der Rotor über die Welle 5 oder die Hubkurve 1 an dem anzutreibenden Element befestigt sein können.
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Jeder Zylinder 6, 8 hat einen Hauptabschnitt 6 und an seiner der Welle 5 zugewandten Seite einen radial zurückgestuften Führungsabschnitt 8.
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Jede Kolbeneinheit 14, 16, 10 hat eine Rolle 10, die bei Rotation des Rotors 2 entlang der Hubkurve 1 rollt und dabei bezogen auf eine Längsachse 12 eine oszillierende Hubbewegung ausführt. Dabei ist in jedem Stufenkolben 14, 16 eine Rolle 10 gelagert. Jeder Stufenkolben hat einen Hauptabschnitt 14 und einen Zapfenabschnitt 16. Der Hauptabschnitt 14 des Stufenkolbens liegt an der Rolle 10 an und ist im Hauptabschnitt 6 des Zylinders aufgenommen, während der Zapfenabschnitt 16 des Stufenkolbens im Führungsabschnitt 8 des Zylinders aufgenommen ist. In den Hauptabschnitt 14 des Stufenkolbens ist eine umlaufende Nut 18 eingebracht, in der ein geschlitzter metallischer Dichtring 34 aufgenommen ist. In 1 ist an einer der Kolbeneinheiten der Dichtring 34 gezeigt, während bei den anderen Kolbeneinheiten der Dichtring weggelassen ist, um die Nut 18 zu verdeutlichen.
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In einem Anlagebereich 20 zwischen dem Hauptabschnitt 14 des Stufenkolbens und der Rolle 10 ist eine (in 1 nicht näher gezeigte) Druckentlastung vorgesehen.
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2 zeigt die Rolle 10 des ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kolbeneinheit in einer Ansicht. Ein Mantel 10c der Rolle 10 ist - abgesehen von einer jeweiligen Fase 10d - kreiszylindrisch ausgebildet. Damit kann sich eine am Hauptabschnitt 14 des Stufenkolbens vorgesehene flache Vertiefung der Druckentlastung (in 2 nicht gezeigt) entlang einer Rotationsachse 36 der Rolle 10 über den größten Teil des Mantels 10c erstrecken.
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Im Innern der Rolle 10 sind zwei stirnseitige Ausnehmungen 10b vorgesehen. Sie sind konzentrisch entlang der Rotationsachse 36 in die jeweilige Stirnseite der Rolle 10 eingebracht und sind nicht durchgängig. Somit verbleibt im Innern der Rolle 10 zwischen den beiden Ausnehmungen ein Hauptabschnitt 10e. Die Ausnehmungen 10b ermöglichen ein Nachgeben der Endabschnitte der Rolle 10 und damit eine Verringerung der Hertzschen Pressung.
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3a zeigt einen Stufenkolben eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kolbeneinheit in einer Ansicht von unten. Ein Hauptabschnitt 314 ist gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel entlang einer Rotationsachse 336 der (in 3a nicht gezeigten) Rolle verlängert, so dass der Hauptabschnitt 314 eine stark abgerundete (im weitesten Sinne) rechteckige Form hat. Damit ist ein Förder- bzw. Schluckvolumen des Stufenkolbens in Verbindung mit einem entsprechend geformten Zylinder erhöht.
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Weiterhin ist eine geringe Vertiefung 330, die zur Druckentlastung über einen Kanal 328 mit Hochdruck beaufschlagt wird, in zwei Teilbereiche aufgeteilt. Dabei übernimmt in Abhängigkeit der jeweils anstehenden Neigung der Hubkurve (vgl. 1) und der entsprechenden Schrägstellung der Kraftbeaufschlagung der Rolle jeweils einer der beiden Teilbereiche der Vertiefung 330 einen Großteil der Druckentlastung.
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Der Stufenkolben gemäß den 3a bis 3c hat einen (nicht näher gezeigten) Kern aus Eisen oder einem Stahl, der von einer Ummantelung 338 aus vergleichsweise weichem und elastischen Material, zum Beispiel aus einem Metall, insbesondere aber aus einem Kunststoff umgeben ist. Der Kern wird mit dem Kunststoff umspritzt, wobei sich auf recht einfache Weise die gewünschte Außenform des Stufenkolbens ausbilden lässt. Das weichere Material kann sich bei Belastung etwas verformen, so dass die Belastung zwischen Stufenkolben und Rotor auf eine größere Fläche verteilt ist. Die Vertiefungen 330 für die Druckentlastung einer Rolle lassen sich schon beim Anspritzen des Kunststoffs erzeugen. Die Rollen können unmittelbar auf dem Kunststoff laufen.
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3b zeigt den Stufenkolben mit der Ummantelung 338 aus Kunststoff in einer seitlichen geschnittenen Darstellung. Die Ummantelung 338 dient auch dazu, Passungsungenauigkeiten einerseits zwischen dem Stufenkolben und dem zugeordneten Zylinder und andererseits zwischen dem Stufenkolben und der zugeordneten Rolle zu egalisieren bzw. zu tolerieren.
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Man erkennt deutlich, dass in einer umlaufenden Nut 318 in der Ummantelung 338 ist (in 3b) ein Dichtring 334 aufgenommen ist. Dieser ist geschlitzt und aus Metall.
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3c zeigt den Stufenkolben des zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kolbeneinheit in einer seitlichen Ansicht. Ein Zapfenabschnitt 316 des Stufenkolbens hat zwei durch jeweilige Abflachungen gebildete Ausnehmungen, von denen in 6c nur eine Ausnehmung 316a gezeigt ist. Sie dienen zur Druckmittelverbindung der beiden zwischen dem Stufenkolben 314, 416 und einem zugeordneten (in 3 nicht gezeigten) Zylinder gebildeten Druck- bzw. Arbeitsräumen.
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Durch die Verlängerung des Hauptabschnitts 314 und des Hauptabschnitts des entsprechenden Zylinders kann man einerseits die Führungslänge zwischen Kolbeneinheit und Rotor groß machen und andererseits durch einen großen Querschnitt des Hauptabschnitts 314 ein großes Schluck- bzw. Fördervolumen der Radialkolbenmaschine erhalten.
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Offenbart ist eine Kolbeneinheit für eine Radialkolbenmaschine die einen Kolben und eine Rolle bzw. einen Rollenkörper hat, die bzw. der - abgesehen von einer Fase oder dergleichen - einen kreiszylindrischen Mantel hat. In einem Anlagebereich zwischen dem Kolben und der Rolle ist eine hydrostatische Druck- bzw. Kraftentlastung vorgesehen, die dort ein Druckfeld bildet. Dabei hat die Rolle eine oder zwei stirnseitige Ausnehmungen. Durch diese Ausnehmung(en) wird die Rolle am zugeordneten Endabschnitt leicht geschwächt, so dass die Hertzsche Pressung dort verringert ist.
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Bezugszeichenliste
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| 6 + |
8 |
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Zylinder |
| |
6 |
|
Hauptabschnitt |
| |
8 |
|
Führungsabschnitt |
| |
|
|
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| 14 + |
16 |
+ 10 |
olbeneinheit |
| |
10 |
|
Rolle |
| |
14 |
+ 16 |
Kolben / Stufenkolben |
| |
|
14 |
Hauptabschnitt |
| |
|
16 |
Zapfenabschnitt |
| |
|
|
|
| 314 + |
316 |
|
Kolben / Stufenkolben |
| |
314 |
|
Hauptabschnitt |
| |
316 |
|
Zapfenabschnitt |
| |
|
|
|
| 328 + |
330 |
|
Druckentlastung |
| |
328 |
|
Kanal |
| |
330 |
|
Vertiefung |
