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Die Erfindung betrifft eine hydrostatische Axialkolbenmaschine mit einem in einem Gehäuse um eine Drehachse drehbar angeordneten Zylinderblock, wobei der Zylinderblock mit zumindest einer Kolbenausnehmung versehen ist, in der jeweils ein mit einer Hubscheibe in Wirkverbindung stehender Kolben längsverschiebbar angeordnet ist, wobei der Zylinderblock an einer Steuerfläche anliegt und eine Feder vorgesehen ist, die den Zylinderblock an die Steuerfläche anpresst, und wobei das Gehäuse zumindest teilweise mit Druckmittel gefüllt ist.
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Bei Axialkolbenmaschinen ist in der Regel das Gehäuse, innerhalb dessen die rotierenden Triebwerksbauteile angeordnet sind, die von dem Zylinderblock und den Kolben gebildet sind, zumindest teilweise mit Druckmittel, beispielsweise Hydrauliköl, gefüllt. Im Betrieb der Axialkolbenmaschine treten bei um die Drehachse rotierendem Zylinderblock aufgrund der Fliehkräfte der aus dem Zylinderblock in Richtung der Hubscheibe austauchenden Kolben Störkräfte auf, die den Zylinderblock zum Abkippen von der Steuerfläche bewegen. Um das Abkippen des Zylinderblocks von der Steuerfläche zu verhindern, ist eine Feder vorgesehen, die den Zylinderblock in Richtung der Steuerfläche beaufschlagt. Bei drucklosem Betrieb presst die Feder den Zylinderblock an die Steuerfläche und vermeidet bis zur Maximaldrehzahl das Abkippen des Zylinderblocks von der Steuerfläche. Die Federkraft der Feder bestimmt hierbei einerseits die Abkippdrehzahl des Zylinderblocks und somit die Grenzdrehzahl der Axialkolbenmaschine und verursacht andererseits Reibungsverluste. Um die Verluste durch Reibung gering zu halten, wird die Federkraft möglichst gering ausgeführt. In Verbindung mit der Kolbenmasse der Kolben und der entstehenden Fliehkräfte wird dadurch die Drehzahl der Axialkolbenmaschine nach oben hin begrenzt.
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Ein weiterer Effekt, der bei einer Axialkolbenmaschine mit einem druckmittelgefüllten Gehäuse im Betrieb den rotierenden Zylinderblock zum Abkippen von der Steuerfläche bewegt, besteht in dem Gehäuseinnendruck des druckmittelgefüllten Gehäuses.
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Während einer Rotation des Zylinderblocks verändert sich der axiale Abstand des Zylinderblocks zu der geneigt zu der Drehachse des Zylinderblocks angeordneten Hubscheibe und somit der Kolbenauskragungsbereich. Der Kolbenauskragungsbereich einer gattungsgemäßen Axialkolbenmaschine bildet denjenigen Bereich, welcher axial zwischen der Hubscheibe und einer die Kolbenaustrittsöffnungen der Kolbenausnehmungen enthaltenden Stirnseite des Zylinderblocks gebildet ist und in den die aus den Kolbenausnehmungen austauchenden Abschnitt der Kolben hineinragen. Im unteren Totpunkt, an dem die Kolben aus den Kolbenausnehmungen des Zylinderblocks maximal ausgetaucht sind, ist der axiale Abstand maximal. Im oberen Totpunkt, an dem die Kolben maximal in die Kolbenausnehmungen des Zylinderblocks eingetaucht sind, ist der axiale Abstand minimal. Bei einer Rotation des Zylinderblocks von dem unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt verringert sich somit der axiale Abstand zwischen Hubscheibe und Stirnseite des Zylinderblocks. Entsprechend vergrößert sich bei einer Rotation des Zylinderblocks vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt der axiale Abstand zwischen Hubscheibe und Stirnseite des Zylinderblocks. Dadurch verändert sich das Volumen der mit Druckmittel gefüllten Zwischenräume zwischen den Kolben im Kolbenauskragungsbereich während einer Drehung des Zylinderblocks und es wird ein Volumenstrom im Gehäuse durch die sich während der Drehung im Volumen verändernde Zwischenräume zwischen den Kolben im Kolbenauskragungsbereich erzeugt. Bei einer Rotation des Zylinderblocks von dem unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt wird Druckmittel aus den sich verringernden Zwischenräumen an den Kolben nach radial außen ausquetscht und gefördert. Entsprechend wird bei einer Rotation des Zylinderblocks von dem oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt Druckmittel in die sich vergrößernde Zwischenräumen an den Kolben zum Befüllen der Befüllen der Zwischenräume nach radial innen angesaugt bzw. gefördert. Im Gehäuse bilden sich durch diese Volumenströme in dem druckmittelbefüllten Spalt zwischen der Gehäuseinnenwand und den rotierenden Triebwerksbauteilen (Zylindertrommel und Kolben) über den Umfang gesehen unterschiedlich hohe Gehäusedruckniveaus mit einer über den Umfang gesehen ungleichmäßigen Druckverteilung und somit eine ungleichmäßige Druckfeldausbildung. Diese ungleichmäßige Druckverteilung im Gehäuse bewirkt an dem Zylinderblock eine Druckdifferenz, die eine den Zylinderblock zum Abkippen von der Steuerfläche bewegende Kraft erzeugt und somit die Grenzdrehzahl der Axialkolbenmaschine (Abkippdrehzahl des Zylinderblocks von der Steuerfläche) im Betrieb nach oben hin begrenzt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Axialkolbenmaschine der eingangs genannten Gattung zur Verfügung zu stellen, die eine erhöhte Grenzdrehzahl aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in einem druckmittelgefüllten Spalt zwischen den von dem Zylinderblock und/der den Kolben gebildeten rotierenden Triebwerksbauteilen und der Gehäuseinnenwand des Gehäuses mindestens ein gehäuseseitiger Widerstand, bevorzugt zwei gehäuseseitige Widerstände, angeordnet ist, der dazu geeignet ist, den Druckaufbau im Gehäuse zu beeinflussen, der sich durch Volumenströme ergibt, die durch sich während der Drehung des Zylinderblocks im Volumen verändernde Zwischenräume der Kolben in einem Kolbenauskragungsbereich erzeugt werden, welcher axial zwischen der Hubscheibe und einer die Kolbenaustrittsöffnungen der Kolbenausnehmungen enthaltenden Stirnseite des Zylinderblocks gebildet ist und in den die aus den Kolbenausnehmungen austauchenden Abschnitte der Kolben hineinragen. Die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine ist somit mit mindestens einem gehäuseseitigen und somit drehfesten Widerstand versehen, der die unterschiedliche Druckfeldausbildung im Gehäuse minimiert, die sich durch die während einer Drehung im Volumen verändernden druckmittelgefüllten Zwischenräume zwischen den Kolben im Kolbenauskragungsbereich zwischen Hubscheibe und Zylinderblock und den dadurch bedingten Volumenströmen im Gehäuse ergibt. Mit dem erfindungsgemäßen mindestens einen Widerstand im Gehäuse kann somit die ungleichmäßige Druckfeldausbildung im Gehäuse und somit die am Zylinderblock herrschende Druckdifferenz verringert und minimiert werden und somit die den Zylinderblock zum Abkippen von der Steuerfläche bewegende Kraft verringert werden, wodurch die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine eine erhöhte Grenzdrehzahl aufweist.
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Gemäß einer möglichen Ausgestaltungsform der Erfindung ist ein einziger Widerstand vorgesehen, der versetzt zur einer die Totpunkte der Kolben enthaltenden Ebene angeordnet ist. Der Widerstand ist somit im den druckmittelgefüllten Spalt derart zu einer die Totpunkte enthaltenden Ebene versetzt angeordnet, wodurch der druckmittelgefüllte Spalt in Umfangsrichtung zwischen den beiden Totpunkten unterteilt wird und somit die Volumenströme in dem druckmittelgefüllten Spalt beeinflusst werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung sind zwei Widerstände vorgesehen, wobei die zwei Widerstände bezüglich einer die Totpunkte der Kolben enthaltenden Ebene gegenüberliegend angeordnet sind. Die zwei Widerstände sind somit bezüglich der die Totpunkte enthaltenden Ebene in unterschiedlichen Gehäuseseiten angeordnet, so dass ein Widerstand bezüglich einer die Totpunkte der Kolben enthaltenden Ebene in einer ersten Gehäuseseite und der weitere Widerstand bezüglich der die Totpunkte der Kolben enthaltenden Ebene in einer gegenüberliegenden Gehäuseseite angeordnet ist. Die gehäuseseitigen Widerstände unterteilen den druckmittelgefüllten Gehäuseinnenraum in eine den unteren Totpunkt enthaltende Gehäuseseite und eine den oberen Totpunkt enthaltende Gehäuseseite. Mit einer derartigen Anordnung der gehäuseseitigen Widerstände kann der Druckaufbau im Gehäuse auf einfache Weise beeinflusst und die ungleichmäßige Druckfeldausbildung im Gehäuse minimiert werden.
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Die beiden Widerstände können hierbei in einer Ebene angeordnet sein oder auf die Drehachse ausgerichtet und geneigt zueinander angeordnet sein. Bei einer Anordnung der zwei Widerstände in einer Ebene sind somit die Widerstände bezüglich der Drehachse gegenüberliegend in dem druckmittelgefüllten Spalt angeordnet. Bei einer zueinander geneigten Anordnung der zwei Widerstände ergibt sich eine V-artige zueinander geneigte Anordnung der Widerstände in dem druckmittelgefüllten Spalt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Ebene in Drehrichtung der rotierenden Triebwerksbauteile zwischen einer die Totpunkte der Kolben enthaltenden Ebene angeordnet, bevorzugt senkrecht zu einer die Totpunkte der Kolben enthaltenden Ebene angeordnet. Die gehäuseseitigen Widerstände befinden sich somit in Drehrichtung des Zylinderblocks gesehen zwischen den Totpunkten und unterteilen den druckmittelgefüllten Gehäuseinnenraum in eine den unteren Totpunkt enthaltende Gehäusehälfte und eine den oberen Totpunkt enthaltende Gehäusehälfte. Die beiden Widerstände können hierbei in einer senkrecht zu einer die Totpunkte der Kolben enthaltenden Ebene oder einer zu der senkrechten Ebene verdrehten Ebene angeordnet sein.
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Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltungsform der Erfindung erstreckt sich der mindestens eine Widerstand von der Gehäuseinnenwand des Gehäuses radial auf den Zylinderblock. Derartige radial von der Gehäuseinnenwand auf den Zylinderblock gerichtete Widerstände, die den druckmittelgefüllten Spalt zwischen den von dem Zylinderblock und/der den Kolben gebildeten rotierenden Triebwerksbauteilen und der Gehäuseinnenwand des Gehäuses verringern, ermöglichen es mit geringem Bauaufwand die ungleichmäßige Druckfeldausbildung im Gehäuse zu verringern.
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Bevorzugt sind zumindest zwei Widerstände vorgesehen, die bezüglich einer die Totpunkte der Kolben enthaltenden Ebene gegenüberliegend angeordnet sind, bevorzugt gegenüberliegend zur Drehachse des Zylinderblocks angeordnet sind. Sofern zwei Widerstände vorgesehen sind, befindet sich diese somit bezüglich der die Totpunkte enthaltenden Ebene in unterschiedlichen Gehäuseseiten. Bevorzugt sind die Widerstände gegenüberliegend zur Drehachse angeordnet.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung ist der mindestens eine Widerstand von einer in dem Gehäuse befestigten oder am Gehäuse angeformten Rippe gebildet. Der mindestens eine Widerstand kann von einem zusätzlichen rippenartigen Bauteil gebildet werden, das am Gehäuse befestigt wird, oder einer direkt an der Gehäuseinnenwand des Gehäuses einstückig angeformten Rippe gebildet werden.
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Der mindestens eine gehäuseseitige Widerstand kann sich gemäß einer Ausgestaltungsform der Erfindung in Längsrichtung der Axialkolbenmaschine über den Zylinderblock erstrecken. Der als Rippe ausgeführte gehäuseseitige Widerstand erstreckt sich somit von dem steuerflächenseitigen Endbereich des Zylinderblocks bis an die die Kolbenaustrittsöffnungen der Kolbenausnehmungen enthaltende Stirnseite des Zylinderblocks und überdeckt in Längsrichtung die zylindrische Außenmantelfläche des Zylinderblocks.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltungsform der Erfindung erstreckt sich der mindestens eine Widerstand in Längsrichtung der Axialkolbenmaschine über den Zylinderblock und den Kolbenauskragungsbereich der Kolben. Der von der Rippe gebildete gehäuseseitige Widerstand erstreckt sich somit von dem steuerflächenseitigen Endbereich des Zylinderblocks bis in den Bereich der Hubscheibe und überdeckt in Längsrichtung der Axialkolbenmaschine die zylindrische Außenmantelfläche des Zylinderblocks und den Kolbenauskragungsbereich der Kolben.
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Der mindestens eine gehäuseseitige Widerstand weist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung am radial inneren Bereich einen geradlinigen, parallel zur Außenmantelfläche des Zylinderblocks verlaufenden Konturverlauf auf. Ein derartiger gehäuseseitiger Widerstand, der sich in Längsrichtung des Zylinderblocks parallel zur Außenmantelfläche des Zylinderblocks erstreckt, weist einen einfachen Aufbau mit geringem Herstellaufwand auf.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltungsform der Erfindung weist der mindestens eine gehäuseseitige Widerstand am radial inneren Bereich einen an die Außenmantelfläche des Zylinderblocks und die austauchenden Abschnitte der Kolben angepassten Konturverlauf auf. Mit einem derartigen, angepassten Konturverlauf kann der verbleibende radiale Spalt zwischen dem gehäuseseitigen Widerstand und den Kolben im Kolbenauskragungsbereich gegenüber einem geradlinigen Konturverlauf der gehäuseseitigen Widerstände verringert werden.
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Ein derartiger, angepasster Konturverlauf ist auf einfache Weise herstellbar, wenn der Konturlauf abgesetzt ist und einen parallel zur Außenmantelfläche des Zylinderblocks verlaufenden Konturabschnitt im Bereich der Längserstreckung des Zylinderblocks und einen nach radial innen abgesetzten, parallel zur Außenmantelfläche der austauchenden Kolben verlaufenden Konturabschnitt im Bereich des Kolbenauskragungsbereichs der Kolben aufweist.
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Die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine kann als Schrägscheibenmaschine ausgebildet ist. Bei einer Schrägscheibenmaschine ist die Hubscheibe von einer geneigt zur Drehachse des Zylinderblocks angeordneten Schrägscheibe gebildet, an der die Kolben beispielsweise mittels jeweils einen Gleitschuhs abgestützt sind. Die Schrägscheibe kann hierbei im Gehäuse fest (Konstantmaschine mit konstantem Verdrängungsvolumen) oder in der Neigung verstellbar (Verstellmaschine mit veränderlichem Verdrängungsvolumen) sein. Mit den erfindungsgemäßen gehäuseseitigen Widerständen kann bei einer als Pumpe oder Motor ausgebildeten Schrägscheibenmaschine die Grenzdrehzahl (Abkippdrehzahl des Zylinderblocks von der Steuerfläche) auf einfache Weise erhöht werden.
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Die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine kann alternativ als Schrägachsenmaschine ausgebildet ist. Bei einer Schrägsachsenmaschine ist die Hubscheibe von einem geneigt zur Drehachse des Zylinderblocks angeordneten Triebflansch gebildet, an dem die Kolben befestigt sind. Mit den erfindungsgemäßen gehäuseseitigen Widerständen kann bei einer als Pumpe oder Motor ausgebildeten Schrägachsenmaschine die Grenzdrehzahl (Abkippdrehzahl des Zylinderblocks von der Steuerfläche) auf einfache Weise erhöht werden.
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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 Axialkolbenmaschine des Standes der Technik in einem Längsschnitt,
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2 einen Querschnitt gemäß Linie A-A der 1,
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3 einen Längsschnitt gemäß Linie B-B der 1,
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4 eine erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine in einem Längsschnitt,
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5 einen Querschnitt gemäß Linie A-A der 4,
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6 einen Längsschnitt gemäß Linie B-B der 4,
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7 einen Längsschnitt gemäß 6 mit einer alternativen Ausführungsform der Erfindung,
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8 einen Längsschnitt gemäß 6 mit einer alternativen Ausführungsform der Erfindung und
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9 einen Längsschnitt gemäß 6 mit einer alternativen Ausführungsform der Erfindung.
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In den 1 bis 3 ist eine hydrostatische Axialkolbenmaschine 1, beispielsweise eine Axialkolbenpumpe oder ein Axialkolbenmotor, in Schrägscheibenbauweise des Standes der Technik dargestellt.
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Die Axialkolbenmaschine 1 weist einen um eine Drehachse D drehbar angeordneten Zylinderblock 3 auf, der mit mehreren konzentrisch zur Drehachse D angeordneten Kolbenausnehmungen 4 versehen ist, die bevorzugt von Zylinderbohrungen gebildet sind und in denen jeweils ein Kolben 5 längsverschiebbar gelagert ist. Der Zylinderblock 3 und die Kolben 5 stellen die rotierenden Triebwerksbauteile der Axialkolbenmaschine 1 dar.
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Der Zylinderblock 3 stützt sich in axialer Richtung an einer gehäusefesten Steuerfläche 10 ab, die an einem scheibenförmigen Steuerboden 11 ausgebildet ist, der an einem Gehäuse 8 oder einem entsprechenden Gehäusedeckel 8b drehfest befestigt ist. Der Steuerboden 11 ist mit nierenförmigen Steuerschlitzen versehen, die einen Einlassanschlusskanal SK und einen Auslassanschlusskanal DK bilden. Die Kolbenausnehmungen 4 sind mittels entsprechender Verbindungskanäle mit den Steuerschlitzen in dem Steuerboden 11 verbindbar.
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Der Zylinderblock 3 ist von einer zentrischen Bohrung durchsetzt, durch die eine konzentrisch zur Drehachse D angeordnete Triebwelle 12 durch den Zylinderblock 3 geführt ist. Die Triebwelle 12 ist mittels Lagerungen 16, 17 im Gehäuse 8 drehbar gelagert. Der Zylinderblock 3 ist mit der Triebwelle 12 drehsynchron, jedoch axial verschiebbar verbunden, beispielweise mittels einer Verzahnung 15 im Bereich eines Zylinderblockhalses des Zylinderblocks 3, der an dem Zylinderblock 3 angeformt ist und sich in axialer Richtung in Richtung einer Hubscheibe 7 erstreckt.
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Die Kolben 5 stützen sich in dem aus dem Zylinderblock 3 herauskragenden Bereich mittels jeweils eines beispielsweise als Gleitschuh 6 ausgebildeten Abstützelements auf der huberzeugenden Hubscheibe 7, beispielsweise einer Schrägscheibe, ab. Die gegenüber der Drehachse D geneigte Hubscheibe 7 kann an dem Gehäuse 8 angeformt oder befestigt sein, wobei die Axialkolbenmaschine 1 ein festes Verdrängungsvolumen aufweist. Es ist jedoch ebenfalls möglich, die Hubscheibe 7 in der Neigung verstellbar auszubilden, wodurch die Axialkolbenmaschine 1 ein veränderbares Verdrängungsvolumen aufweist. Die als Gleitschuhe 6 ausgebildeten Abstützelemente werden durch eine ringscheibenförmige Niederhalteplatte 9 vom Abheben von der Hubscheibe 7 gehindert. Die Niederhalteplatte 9 rotiert zusammen mit dem Zylinderblock 3 und ist mittels einer Rückhalteeinrichtung 13, die von einem kugelkappenförmigen, mit der Triebwelle 12 drehfest verbundenen Rückhalteeinrichtung 13 gebildet ist, in Richtung der Hubscheibe 7 beaufschlagt.
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Innerhalb des Zylinderblocks 3 ist eine Feder 18 vorgesehen, die den Zylinderblock 3 in Richtung der Steuerfläche 10 beaufschlagt und an die Steuerfläche 10 anpresst.
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Die Feder 18 steht weiterhin mittels Druckstiften 19 mit der axial verschiebbaren Rückhalteeinrichtung 13 zu deren Beaufschlagung in Verbindung. Anstelle einer derartigen kraftschlüssigen Rückhalteeinrichtung 13 mittels der Feder 18 kann die Rückhalteeinrichtung formschlüssig ausgebildet werden, wobei die rotierende Niederhalteplatte 9 am Gehäuse 8 oder der Hubscheibe 7 mittels Führungselementen formschlüssig gehalten wird. Es ist alternativ möglich, die Feder 18 an der Triebwelle 12 abzustützen.
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Wie aus den 1 bis 3 ersichtlich ist, ist zwischen einer Außenmantelfläche 3a des Zylinderblocks 3 und einer Innenwand 8a des Gehäuses 8 ein Spalt S ausgebildet, der zumindest teilweise mit Druckmittel, beispielsweise Hydrauliköl, gefüllt ist.
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In den 1 und 3 ist weiterhin ein Kolbenauskragungsbereich K dargestellt, der dem axialen Bereich zwischen der die Kolbenaustrittsöffnungen beinhaltenden Stirnseite des Zylinderblocks 3 und der Hubscheibe 7 entspricht, in den die aus den Kolbenausnehmungen 4 des Zylinderblocks 3 austauchenden Abschnitte der Kolben 5 hineinragen und in dem die Gleitschuhe 6 angeordnet sind, die mittels jeweils eines Kugelgelenks mit dem Kolben 5 verbunden sind.
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Die Feder 18 verhindert ein Abkippen des Zylinderblocks 3 von der Steuerfläche 10 durch die von den Fliehkräften der auskragenden Kolben 5 und der Gleitschuhe 6 gebildeten Störkräfte.
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Aufgrund der Neigung und somit der Schrägstellung der Hubscheibe 7 gegenüber der Drehachse D des Zylinderblocks 3 weist der Kolbenauskragungsbereich K während einer Rotation des Zylinderblocks 3 einen sich verändernden axialen Abstand zwischen Stirnseite des Zylinderblocks 3 und der Hubscheibe 7 auf. Im unteren Totpunkt UT, an dem die Kolben 5 aus den Kolbenausnehmungen 4 maximal ausgetaucht sind, ist der axiale Abstand maximal. Im oberen Totpunkt OT, an dem die Kolben 5 maximal in die Kolbenausnehmungen 4 eingetaucht sind, ist der axiale Abstand minimal. In der 1 ist befindet sich der obere Kolben 5 am oberen Totpunkt OT und der untere Kolben 5 am unteren Totpunkt UT. Bei einer Rotation des Zylinderblocks 3 von dem unteren Totpunkt UT zum oberen Totpunkt OT verringert sich somit der axiale Abstand zwischen Hubscheibe 7 und Stirnseite des Zylinderblocks 3. Entsprechend vergrößert sich bei einer Rotation des Zylinderblocks 3 vom oberen Totpunkt OT zum unteren Totpunkt UT der axiale Abstand zwischen Hubscheibe 7 und Stirnseite des Zylinderblocks 3. Während einer Drehung des Zylinderblocks 3 verändert sich somit das Volumen der mit Druckmittel befüllten Zwischenräume zwischen den Kolben 5 im Kolbenauskragungsbereich K, wodurch bei einer Drehung des Zylinderblocks 3 Volumenströme auftreten. Bei sich verringerndem Abstand zwischen Hubscheibe 7 und Zylinderblock 3 bei einer Rotation vom unteren Totpunkt UT zum oberen Totpunkt OT wird Druckmittel aus den sich verkleinernden Zwischenräumen zwischen den Kolben 5 herausgequetscht. Entsprechend müssen bei einer Rotation vom oberen Totpunkt OT zum unteren Totpunkt UT die sich vergrößernden Zwischenräume zwischen den Kolben 5 mit Druckmittel befüllt werden.
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In der 2, in der ein Querschnitt der Axialkolbenmaschine 1 im Bereich des Kolbenauskragungsbereichs K dargestellt ist, sind die sich bei einer Axialkolbenmaschine 1 des Standes der Technik gemäß den 1 und 3 ergebendende Volumenströme durch die sich während einer Drehung im Volumen verändernden Zwischenräume an den Kolben 5 im Kolbenauskragungsbereich K dargestellt.
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Bei einer Rotation der von dem Zylinderblock 3 und den auskragenden Kolben 5 gebildeten Triebwerksbauteile vom unteren Totpunkt UT zum oberen Totpunkt OT, wobei sich vom unteren Totpunkt UT zum oberen Totpunkt OT der axialen Abstand des Kolbenauskragungsbereichs K zwischen Stirnseite des Zylinderblocks 3 und Hubscheibe 7 mit den entsprechenden Zwischenräumen verringert, wird Druckmittel aus den sich im Volumen verringenden Zwischenräumen ausgequetscht und somit aus dem Kolbenauskragungsbereich K im Wesentlichen radial nach Außen in Richtung der Außenmantelfläche 3a des Zylinderblocks 3 befördert. Diese Volumenströme sind in der 2 durch die Pfeile F1 verdeutlicht. Auf der bezüglich der Totpunkte gegenüberliegenden Seite entsteht ein Flüssigkeitsmangel, der sich durch den von dem oberen Totpunkt OT zum unteren Totpunkt UT vergrößernden axialen Abstand des Kolbenauskragungsbereichs K zwischen Stirnseite des Zylinderblocks 3 und Hubscheibe 7 mit den entsprechenden sich vergrößernden Zwischenräumen ergibt. Dieser Flüssigkeitsmangel wird durch Befüllen der Zwischenräume an den Kolben 5 im Kolbenauskragungsbereich K aufgefüllt. Diese Volumenströme sind in der 2 mit den Pfeilen F2 verdeutlicht.
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Durch diese Volumenströme bilden sich im druckmittelgefüllten Gehäuse 8 in dem Spalt S zwischen Zylinderblock 3a und Innenwand 8a des Gehäuses 8 über den Umfang unterschiedliche Gehäusedruckniveaus P1 und P2. Da der Druck P1 größer als der Druck P2 ist, herrscht an dem Zylinderblock 3 durch die ungleichmäßige Druckverteilung und somit Druckfeldausbildung eine Druckdifferenz P1–P2. Diese Druckdifferenz P1–P2 erzeugt an dem Zylinderblock 3 eine resultierende Kraft FS, die mit einem Abstand s von der das Stützlager des Zylinderblocks 3 bildenden Verzahnung 15 in einer Ebene E1 angreift, die in Drehrichtung der rotierenden Triebwerksbauteile senkrecht zu einer die Totpunkte UT, OT enthaltenden Ebene E2 ist und ein Abkippen des Zylinderblocks 3 von der Steuerfläche 10 bewirkt. Die ungleichmäßige Druckfeldausbildung durch die Volumenströme F1, F2 und die den Zylinderblock 3 zum Abkippen von der Steuerfläche 10 bewegende Kraft FS begrenzt hierbei die Grenzdrehzahl der Axialkolbenmaschine (Abkippdrehzahl des Zylinderblocks 3 von der Steuerfläche 10).
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In den 4 bis 6 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine 1 dargestellt. Die Axialkolbenmaschine 1 der 4 bis 6 entspricht im Aufbau im Wesentlichen der in den 1 bis 3 dargestellten Axialkolbenmaschine 1, wobei gleiche Bauteile mit gleichen Bezugsziffern versehen sind.
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Bei der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine 1 ist in dem druckmittelgefüllten Spalt S zwischen den von dem Zylinderblock 3 und/der den Kolben 5 gebildeten rotierenden Triebwerksbauteilen und der Gehäuseinnenwand 8a des Gehäuses 8 mindestens ein gehäuseseitiger Widerstand 20a bzw. 20b angeordnet.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Widerstände 20a, 20b vorgesehen, die bezüglich einer die Totpunkte UT, OT der Kolben 5 enthaltenden Ebene E2 gegenüberliegend und somit bezüglich der Ebene E2 in unterschiedlichen Gehäuseseiten angeordnet sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die zwei Widerstände 20a, 20b gegenüberliegend zur Drehachse D angeordnet.
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Die Widerstände 20a, 20b erstrecken sich jeweils von der Innenwand 8a des Gehäuses 8 in radialer Richtung auf den Zylinderblock 3 und die auskragenden Abschnitte der Kolben 5 im Kolbenauskragungsbereich K. Die Widerstände 20a, 20b sind – wie in der 5 dargestellt ist – in einer Ebene E1 angeordnet, die in Drehrichtung der rotierenden Triebwerksbauteile zwischen einer die Totpunkte UT, OT der Kolben 5 enthaltenden Ebene E2 angeordnet ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Widerstände 20a, 20b in einer Ebene E1 angeordnet, die senkrecht zu der die Totpunkte UT, OT der Kolben 5 enthaltenden Ebene E2 angeordnet ist. Es ist ebenfalls möglich, die beiden Widerstände 20a, 20b in den beiden Gehäuseseiten gegenüber der Ebene E1 in einer um die Drehachse D verdrehten Ebene anzuordnen, wie in der 5 mit den Pfeilen am Widerstand 20b verdeutlicht ist. Die beiden Widerstände 20a, 20b unterteilen somit den druckmittelgefüllten Gehäuseinnenraum in eine den unteren Totpunkt UT enthaltende Gehäusehälfte und eine den oberen Totpunkt OT enthaltende Gehäusehälfte. Zudem ist alternativ möglich, die beiden Widerstände 20a, 20b derart anzuordnen, dass der Widerstand 20a bezüglich der Ebene E2 in der linken Gehäuseseite und der Widerstand 20b bezüglich der Ebene E2 in der rechten Gehäuseseite auf die Drehachse D geneigt zueinander angeordnet sind, so dass sich eine V-artige zueinander geneigte Anordnung der Widerstände 20a, 20b anstelle einer Anordnung in der Ebene E1 ergibt.
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Die gehäuseseitigen Widerstände 20a, 20b erstrecken sich in Längsrichtung der Axialkolbenmaschine 1 – wie in der 6 ersichtlich ist – jeweils von dem Steuerboden 11 bzw. dem Gehäusedeckel 8b bis an die Hubscheibe 7 bzw. die Niederhalteplatte 9, so dass sich die Widerstände 20a, 20b über die gesamte Außenmantelfläche 4a des Zylinderblocks und den Kolbenauskragungsbereich K der Kolben 5 erstrecken.
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Die Widerstände 20a, 20b weisen am radial inneren Bereich – wie ebenfalls der 6 zu entnehmen ist – jeweils einen an die Außenmantelfläche 3a des Zylinderblocks 3 und die austauchenden Abschnitte der Kolben 5 angepassten Konturverlauf 21 auf. Der Konturlauf 21 der Widerstände 20a, 20b ist hierzu im Bereich der die Kolbenaustrittsöffnungen enthaltenden Stirnseite des Zylinderbocks 3 nach radial Innen in Richtung zur Drehachse D abgesetzt und setzt sich aus einem parallel zur Außenmantelfläche 3a des Zylinderblocks 3 verlaufenden Konturabschnitt 21a im Bereich der Längserstreckung des Zylinderblocks 3 und einen nach radial innen abgesetzten, parallel zur Außenmantelfläche der austauchenden Kolbenabschnitte der Kolben 5 verlaufenden Konturabschnitt 21b im Bereich des Kolbenauskragungsbereichs K der Kolben 5 zusammen.
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Durch den angepassten Konturverlauf 21 der gehäuseseitigen Widerstände 20a, 20b wird zwischen dem Zylinderblock 3 und den auskragenden Abschnitten der Kolben 5 sowie den Widerständen 20a, 20b wird in Längsrichtung der Axialkolbenmaschine ein gleichmäßiger Radialspalt R gebildet.
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An der den rotierenden Triebwerksbauteilen (Zylinderblock 3, Kolben 5) zugewandten Innenseite 22 weisen die Widerstände 20a, 20b gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils eine bohrungsförmige Gestalt auf mit der Drehachse D als Mittelpunkt. Über die Dicke d der Widerstände 20a, 20b wird somit ebenfalls ein gleichmäßiger Radialspalt R erzielt. Alternativ können der Widerstand 20a bzw. 20b an der Innenseite 22 einen geradlinigen Konturverlauf aufweisen, wie in der 5 an dem Widerstand 20b mit gestrichelten Linien angedeutet ist, oder einen spitzen Verlauf aufweisen, wie in der 5 mit den strichpunktierten Linien angedeutet ist. Die Dicke d der Widerstände 20a, 20b kann gegenüber der dargestellten Dicke ebenfalls verringert sein und geringe Werte annehmen.
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Die Widerstände 20a, 20b der 4 bis 6 sind als separate rippenartige Bauteile ausgebildet, die im Gehäuse 8 befestigt sind. Das Gehäuse 8 sowie der Gehäusedeckel 8b sind hierzu mit entsprechenden nutförmigen Aufnahmen 23, 24 versehen, in die die Rippen eingelegt und befestigt werden können.
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In der 7 ist eine alternative Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der die als Rippen ausgeführten Widerstände 20a, 20b einstückig im Gehäuse 8 ausgebildet sind und direkt an die Gehäuseinnenwand 8a Gehäuses 8 angeformt sind. Hinsichtlich der Formgestaltung sind die Widerstände 20, 20b der 7 mit den Widerständen der 4 bis 6 identisch.
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In der 8 ist eine alternative Konturgestaltung 21 eines Widerstands 20a bzw. 20b dargestellt, bei der der Widerstand 20, der sich in Längsrichtung über den Zylinderblock 3 und den Kolbenauskragungsbereich K erstreckt, am radial Inneren Bereich einen geradlinigen, parallel zur Außenmantelfläche 3a des Zylinderblocks 3 verlaufenden Konturverlauf 21 aufweisen. Die Innenseite 22 des geradlinigen Widerstands 20a ist entsprechend der 5 geformt oder kann geradlinig ausgeführt werden.
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In der 9 ist eine alternative Ausführungsform eines Widerstands 20a bzw. 20b dargestellt, die sich lediglich über die Längserstreckung des Zylinderblocks 3 vom Steuerboden 11 bzw. Gehäusedeckel 8b bis in den Bereich der die Kolbenaustrittöffnungen enthaltenden Stirnseite des Zylinderblocks 3 erstreckt. Hinsichtlich des Konturverlaufs 21 und der Gestaltung der Innenseite 22 ist der Widerstand 20a der 9 mit den Widerständen gemäßen den 5 bis 8 identisch. Die Innenseite 22 des Widerstands 20a, 20b kann alternativ geradlinig ausgeführt werden.
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Die Formen des gehäuseseitigen Widerstands 20a, 20b der 8 und 9 können wie in den 8 und 9 dargestellt ist – bei einer an der Gehäuseinnenwand 8a einstückig angeformten Rippe oder alternativ bei einer separaten, im Gehäuse befestigten Rippe gemäß den 4 bis 6 angewendet werden.
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Der mindestens eine in einem druckmittelgefüllten Spalt S zwischen den von dem Zylinderblock 3 und den Kolben 5 gebildeten rotierenden Triebwerksbauteilen und der Gehäuseinnenwand 8a des Gehäuses 8 angeordnete, gehäuseseitige Widerstand 20a, 20b gemäß den 4 bis 9 beeinflusst den Druckaufbau im druckmittelgefüllten Gehäuse 8, der sich durch die Volumenströme ergibt, die durch sich während der Drehung des Zylinderblocks 3 im Volumen verändernde Zwischenräume der Kolben 5 in dem Kolbenauskragungsbereich K erzeugt werden.
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Mit dem erfindungsgemäßen mindestens einen Widerstand 20a, 20b kann die ungleichmäßige Druckverteilung und die ungleichmäßige Druckfeldausbildung im Gehäuse 8 minimiert werden, wodurch die Grenzdrehzahl (Abkippdrehzahl des Zylinderblocks 3 von der Steuerfläche 10) erhöht werden kann.
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Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel mit zwei Widerständen 20a, 20b beschränkt. Es ist alternativ möglich, lediglich einen einziger Widerstand 20a bzw. 20b vorzusehen, der den druckmittelgefüllten Spalt S in Umfangrichtung versetzt zu der die Totpunkt OT, UT enthaltenden Ebene E2 unterteilt und unterbricht.
