DE102011053952A1

DE102011053952A1 - Hydrostatische Axialkolbenmaschine

Info

Publication number: DE102011053952A1
Application number: DE201110053952
Authority: DE
Inventors: Bernd Peters; Hans-Dieter Dörr; Richard Hofmann
Original assignee: Linde Material Handling GmbH
Current assignee: Linde Hydraulics GmbH and Co KG
Priority date: 2011-09-27
Filing date: 2011-09-27
Publication date: 2013-03-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine hydrostatische Axialkolbenmaschine (1) mit einem in einem Gehäuse (8) um eine Drehachse (2) drehbar angeordneten Zylinderblock (3), wobei der Zylinderblock (3) mit zumindest einer Kolbenausnehmung (4) versehen ist, in der jeweils ein auf einer Hubscheibe (7) abgestützter Kolben (5) längsverschiebbar angeordnet ist, wobei ein Kolbenauskragungsbereich (K) vorhanden ist, welcher axial zwischen der Hubscheibe (7) und einer die Kolbenaustrittsöffnungen der Kolbenausnehmungen (4) enthaltenden Stirnseite des Zylinderblocks (3) gebildet ist und in den die aus den Kolbenausnehmungen austauchenden Abschnitte der Kolben (5) hineinragen. Die Aufgabe, eine derartige Axialkolbenmaschine zur Verfügung zu stellen, die hinsichtlich der Planschverluste im Gehäuse verbessert ist, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass im Bereich des Kolbenauskragungsbereichs (K) zwischen den auskragenden Abschnitten der Kolben (5) und der Gehäuseinnenwand (8a) des Gehäuses (8) ein Pumpenraum (20) einer Sekundärpumpe gebildet ist, der mit einem Sauganschluss (21) und einem Förderanschluss (22) in Verbindung steht, wobei bei einer Rotation des Zylinderblocks (3) von dem oberen Totpunkt (OT), an dem die Kolben (5) maximal in die Kolbenausnehmungen (4) eingetaucht ist, zum unteren Totpunkt (UT), an dem die Kolben (5) maximal aus den Kolbenausnehmungen (4) ausgetaucht sind, durch eine Vergrößerung der Zwischenräume an den Kolben (5) im Kolbenauskragungsbereich (K) eine Saugseite (S) der Sekundärpumpe gebildet ist und bei einer Rotation des Zylinderblocks (3) vom unteren Totpunkt (UT) zum oberen Totpunkt (OT) durch eine Verringerung der Zwischenräume an den Kolben (5) im Kolbenauskragungsbereich (K) eine Förderseite (D) der Sekundärpumpe gebildet ist.

Description

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 auf einer Hubscheibe abgestützter Kolben längsverschiebbar angeordnet ist, wobei ein Kolbenauskragungsbereich vorhanden ist, 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.
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 bei um die Drehachse drehendem und somit rotierendem Zylinderblock entstehen Planschverluste, die mit steigender Drehzahl zunehmen. Die Planschverluste verursachen einen entsprechenden Wärmeeintrag in das Druckmittel, wodurch eine Kühlereinrichtung zur Kühlung des Druckmittels erforderlich werden kann. Darüber hinaus stellen die Planschverluste einen zusätzlichen Energieverbrauch dar, der bei einer als Pumpe ausgebildeten Axialkolbenmaschine vom Antrieb als unerwünschte Verlustleistung bereitgestellt werden muss bzw. bei einer als Motor ausgebildeten Axialkolbenmaschine nicht als Abtriebsleistung zur Verfügung steht. Insbesondere bei hohen Drehzahlen des Zylinderblocks kann diese Verlustleistung eine beträchtliche Größe annehmen, wodurch bei bekannten Axialkolbenmaschinen die Leistungsfähigkeit und die Einsatzfähigkeit zu hohen Drehzahlen hin beschränkt und eingeschränkt sind.
Einen Anteil an den Planschverlusten und der sich aus diesen ergebenden Verlustleistung stellt das Planschen des rotierenden Zylinderblocks in dem Druckmittel dar, insbesondere im Bereich der Außenmantelfläche des Zylinderblocks. Weitere Planschverluste ergeben sich durch das Planschen der aus dem Zylinderblock in axialer Richtung austauchenden und somit herauskragenden Kolben in dem in dem Gehäuse befindlichen Druckmittel.
Bei gattungsgemäßen Axialkolbenmaschinen bilden die mit Druckmittel gefüllten Zwischenräume zwischen den auskragenden Abschnitten der Kolben im Kolbenauskragungsbereich in radialer Richtung orientierte Strömungskanäle. 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. Während einer Rotation des Zylinderblocks verändert sich der axiale Abstand des Zylinderblocks zu der geneigt zu der Drehachse des Zylinderblocks angeordneten Hubscheibe. 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 an den Kolben im Kolbenauskragungsbereich während einer Drehung des Zylinderblocks und es wird ein Volumenstrom im Gehäuse durch die sich während der Drehung im Volumen verändernden 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. In der Regel wird das aus den Zwischenräumen herausgeförderte Druckmittel in den Ringspalt zwischen Zylinderblock und Gehäuse verdrängt, wodurch die Strömung in dem Ringspalt gestört wird und erhöhte Planschverluste des Zylinderblocks entstehen. 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. Die auskragenden Abschnitte der Kolben und die Zwischenräume zwischen den auskragenden Kolben erzeugen somit eine sekundäre Pumpwirkung, wodurch Volumenströme im Gehäuse entstehen, die zu erhöhten Planschverlusten führen und nachteilige Strömungskräfte auf den Zylinderblock erzeugen, die die Grenzdrehzahl der Axialkolbenmaschine (Abkippdrehzahl des Zylinderblocks von der Steuerfläche) im Betrieb nach oben hin begrenzen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Axialkolbenmaschine der eingangs genannten Gattung zur Verfügung zu stellen, die hinsichtlich der Planschverluste im Gehäuse verbessert ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass im Bereich des Kolbenauskragungsbereichs zwischen den auskragenden Abschnitten der Kolben und der Gehäuseinnenwand des Gehäuses ein Pumpenraum einer Sekundärpumpe gebildet ist, der mit einem Sauganschluss und einem Förderanschluss in Verbindung steht, wobei bei einer Rotation des Zylinderblocks von dem oberen Totpunkt, an dem die Kolben maximal in die Kolbenausnehmungen eingetaucht ist, zum unteren Totpunkt, an dem die Kolben maximal aus den Kolbenausnehmungen ausgetaucht sind, durch eine Vergrößerung der Zwischenräume an den Kolben im Kolbenauskragungsbereich eine Saugseite der Sekundärpumpe gebildet ist und bei einer Rotation des Zylinderblocks vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt durch eine Verringerung der Zwischenräume an den Kolben im Kolbenauskragungsbereich eine Förderseite der Sekundärpumpe gebildet ist. Der erfindungsgemäße Gedanke besteht somit darin, die sekundäre Pumpwirkung der sich bei einer Drehung im Volumen verändernden Zwischenräume an den auskragenden Abschnitten der Kolben in dem Kolbenauskragungsbereich gezielt als Sekundärpumpe zur Erzeugung eines nutzbaren Förderstroms an dem mit dem Pumpenraum in Verbindung stehenden Förderanschluss auszunutzen. Bei der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine wird hierzu im Kolbenauskragungsbereich zwischen den auskragenden Abschnitten der Kolben und der Gehäuseinnenwand des Gehäuses ein Pumpenraum ausgebildet, in dem die Zwischenräume an den auskragenden Abschnitte der Kolben im Kolbenauskragungsbereich ähnlich wie die Zellen einer Flügelzellenpumpe mit von den auskragenden Abschnitten der Kolben gebildeten axial angeordneten Flügeln wirken und Druckmittel bei einer Rotation des Zylinderblocks vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt, wobei sich die Zwischenräume an den auskragenden Kolben im Kolbenauskragungsbereich vergrößern und somit ein Saughub gebildet wird, vom Sauganschluss ansaugen und das angesaugte Druckmittel bei der Rotation des Zylinderblocks vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt, wobei sich die Zwischenräume an den auskragenden Kolben im Kolbenauskragungsbereich verkleinern und somit ein Förderhub erzeugt wird, zu dem Förderanschluss des Pumpenraums fördern. Die sekundäre Pumpwirkung der auskragenden Abschnitte der Kolben im Kolbenauskragungsbereich erzeugt somit einen nutzbaren Förderstrom der Sekundärpumpe, so dass bei der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine die Planschverluste der auskragenden Kolben im Kolbenauskragungsbereich verringert werden und nachteilige Strömungskräfte auf die Zylindertrommel verringert werden, so dass die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine verringerte Planschverluste und eine erhöhte Grenzdrehzahl aufweist.
Zweckmäßigerweise steht der Pumpenraum im Bereich des oberen Totpunktes mit dem Sauganschluss und dem Förderanschluss in Verbindung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Pumpenraum von einem Strömungskanal gebildet, dessen radiale Erstreckung zur Drehachse im Bereich des oberen Totpunktes der Kolben maximal ist und dessen radiale Erstreckung zur Drehachse im Bereich des unteren Totpunktes der Kolben minimal ist. Der Strömungskanal ist somit im Bereich des unteren Totpunktes bei maximal ausgetauchten Kolben verkleinert und erweitert sich im Bereich des oberen Totpunktes bei vollständig eingetauchten Kolben am Sauganschluss und Druckanschluss. Mit einem derartigen Strömungskanal zwischen den austauchenden Abschnitten der Kolben im Kolbenauskragungsbereich und der Innenwand des Gehäuses kann auf einfache Weise die sekundäre Pumpwirkung im Kolbenauskragungsbereich der Axialkolbenmaschine gezielt zur Erzeugung eines nutzbaren Förderstroms genutzt werden.
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn sich die radiale Erstreckung des Strömungskanals zur Drehachse gemäß einer Ausgestaltungsform der Erfindung von dem oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt zur Ausbildung der Saugseite verringert und sich die radiale Erstreckung des Strömungskanals zur Drehachse von dem unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt zur Ausbildung der Förderseite erweitert. Der Strömungskanal ist somit im Bereich des unteren Totpunktes radial verkleinert und erweitert sich radial auf der Saugseite und der Förderseite in Richtung des oberen Totpunktes, an dem der Sauganschluss und der Förderanschluss angeordnet sind.
Ein derartiger Strömungskanal als Pumpenraum kann an dem Gehäuse im Bereich des Kolbenauskragungsbereichs mit geringem Herstellaufwand hergestellt werden, wenn gemäß einer Ausführungsform der Erfindung die Gehäuseinnenwand des Gehäuses im Bereich des Kolbenauskragungsbereichs kreiszylindrisch ist, wobei der Mittelpunkt bezüglich der Drehachse des Zylinderblocks exzentrisch angeordnet und in Richtung des oberen Totpunktes verschoben ist. Mit einer derartigen exzentrischen Anordnung der kreiszylindrischen Gehäuseinnenwand im Bereich des Kolbenauskragungsbereichs kann auf einfache Weise erzielt werden, dass der Strömungskanal am unteren Totpunkt radial verkleinert ist und sich auf der Saugseite und der Förderseite zum oberen Totpunkt in radialer Richtung erweitert.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist die Gehäuseinnenwand des Gehäuses im Bereich des Kolbenauskragungsbereichs elliptisch. Mit einer elliptisch geformten Gehäuseinnenwand im Bereich des Kolbenauskragungsbereichs kann ebenfalls mit geringem Herstellaufwand ein entsprechender Strömungskanal als Pumpenraum gebildet werden, der am unteren Totpunkt radial verkleinert ist und sich auf der Saugseite und der Förderseite zum oberen Totpunkt in radialer Richtung erweitert.
Der Sauganschluss und der Druckanschluss kann auf einfache Weise an dem von dem Strömungskanal gebildeten Pumpenraum ausgebildet werden, wenn gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung im Gehäuse zur Trennung der Saugseite und der Förderseite in dem Pumpenraum ein Trennsteg angeordnet ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung ist im Bereich der Längserstreckung des Zylinderblocks zwischen der Außenmantelfläche des Zylinderblocks und der Gehäuseinnenwand des Gehäuses ein gleichmäßiger Ringspalt ausgebildet. Durch die gezielte Ausnutzung der sekundären Pumpwirkung im Bereich des Kolbenauskragungsbereich als Sekundärpumpe wird die Strömung in dem Ringspalt zwischen der Außenmantelfläche des Zylinderblocks und der Gehäuseinnenwand wenig gestört und es kann sich in dem gleichmäßigen Ringspalt zwischen Zylinderblock und Gehäuse eine weitgehend ungestörte Ringströmung ausbilden, die wenig Planschverluste verursacht und geringe Strömungskräfte auf den Zylinderblock verursacht, so dass bei der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine neben einer Verringerung der Planschverluste weiterhin eine Erhöhung der Abkippdrehzahl erzielbar ist.
Die Sekundärpumpe kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung als Speisedruckpumpe ausgebildet sein. Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine in einem hydrostatischen Antriebssystem, beispielsweise einem Fahrzeug, ist in der Regel eine Speisedruckpumpe erforderlich, um einen Versorgungsdruck zu erzeugen, die in der Regel von einer zusätzlichen Zahnradpumpe gebildet wird. Mit der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine kann durch die Verwendung der von der Pumpwirkung im Kolbenauskragungsbereich gebildeten Sekundärpumpe als Speisedruckpumpe ohne zusätzliche Zahnradpumpe in einem Antriebssystem ein Versorgungsdruck erzeugt werden.
Die Sekundärpumpe kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung als Entleerungspumpe des Gehäuses der Axialkolbenmaschine ausgebildet sein. Mit der von der Pumpwirkung im Kolbenauskragungsbereich gebildeten Sekundärpumpe kann auf einfache Weise das Gehäuse der Axialkolbenmaschine von dem Druckmittel entleert werden. Eine Axialkolbenmaschine mit einem von Druckmittel entleerten Gehäuse, bei der die rotierenden Triebwerksbauteile anstelle von Druckmittel von Luft im Gehäuse umgeben sind, weist gegenüber einer Axialkolbenmaschine mit einem druckmittelgefüllten Gehäuse aufgrund der verringerten Viskosität von Luft und der gegenüber Druckmittel verringerten Masse von Luft wesentlich geringere Planschverluste auf und ermöglichen höhere Grenzdrehzahlen. Mit der Verwendung der von der Pumpwirkung im Kolbenauskragungsbereich gebildeten Sekundärpumpe als Entleerungspupe und somit als Absaugpumpe des Gehäuses der Axialkolbenmaschine, mit der Druckmittel aus dem Gehäuse gepumpt und Luft nachgesaugt wird, kann mit geringem Bauaufwand während des Betriebs in dem Gehäuseinnenraum unvermeidlich auftretendes Leckageöl, das von Lecköl an den Dichtspalten der rotierenden Triebwerksbaugruppe, insbesondere an einer hydrostatischen Lagerstelle im Bereich einer Steuerfläche zwischen dem Gehäuse und dem Zylinderblock sowie an hydrostatischen Lagerstellen zwischen den Kolben und den Kolbenausnehmungen in dem Zylinderblock und/oder an hydrostatischen Lagerstellen im Bereich der Kolbenabstützung der Kolben an der Hubscheibe, und gewünschtem Schmieröl zur Schmierung und aktiven Kühlung von tribologisch beanspruchten Bauteilen, insbesondere einer Mitnahmeverzahnung zwischen dem Zylinderblock und einer Triebwelle der Triebwerksbaugruppe und an den Wälzlager der Triebwelle der Triebwerksbaugruppe, gebildet ist, aus dem Gehäuse gefördert werden.
Mit besonderem Vorteil steht hierzu der Förderanschluss mit einem Behälter in Verbindung und ist der Sauganschluss an den Behälter oberhalb des Druckmittelfüllstandes angeschlossen. Bei einer Axialkolbenmaschine mit entleertem Gehäuse kann es zu einem Verschäumen des austretenden und abgepumpten Leckageöls kommen. Bei verschäumten Druckmittel in dem Gehäuse fördert die Sekundärpumpe das verschäumte Druckmittel an der Förderseite in den Behälter. Durch den Anschluss des Sauganschlusses an den Behälter oberhalb des Druckmittelsfüllstandes wird Luft bzw. bei stark verschäumten Druckmittel ein Luft-Schaum-Gemisch aus dem Behälter angesaugt, wodurch die Schaummenge begrenzt wird.
Die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine kann als Schrägscheibenmaschine oder als Schrägachsenmaschine ausgebildet sein. Die Axialkolbenmaschine kann hierbei als Pumpe und/oder Motor betrieben werden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der in den schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Hierbei zeigt
1 eine erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine in einem schematischen Längsschnitt und einem Querschnitt,
2 eine Ausführungsform der Sekundärpumpe als Speisedruckpumpe und
3 eine Ausführungsform der Sekundärpumpe als Entleerungspumpe des Gehäuses der Axialkolbenmaschine.
In der 1 ist eine erfindungsgemäße hydrostatische Axialkolbenmaschine 1, beispielsweise eine Axialkolbenpumpe oder ein Axialkolbenmotor, in Schrägscheibenbauweise dargestellt. Die 1 zeigt einen Längsschnitt und einen Querschnitt entlang der Linie A-A des Längsschnitts.
Die Axialkolbenmaschine 1 weist einen um eine Drehachse 2 drehbar angeordneten Zylinderblock 3 auf, der mit mehreren konzentrisch zur Drehachse 2 angeordneten Kolbenausnehmungen 4 versehen ist, die bevorzugt von Zylinderbohrungen gebildet sind und in denen jeweils ein Kolben 5 längsverschiebbar gelagert ist.
Die Kolben 5 stützen sich in dem aus dem Zylinderblock 3 herauskragenden Bereich mittels jeweils eines beispielsweise als Gleitschuh 6 ausgebildeten Abstützelements auf einer von einer Schrägscheibe gebildeten Hubscheibe 7 ab, die geneigt zur Drehachse 2 angeordnet ist. Die Schrägscheibe kann an einem Gehäuse 8 angeformt oder drehfest befestigt sein, wobei die Axialkolbenmaschine 1 ein festes Verdrängungsvolumen aufweist. Es ist jedoch ebenfalls möglich, die Schrägscheibe in der Neigung bezüglich der Drehachse 2 verstellbar auszubilden, wodurch die Axialkolbenmaschine 1 ein veränderbares Verdrängungsvolumen aufweist. Die von den Gleitschuhen 6 gebildeten Abstützelemente werden durch eine nicht näher dargestellte ringscheibenförmige und zusammen mit dem Zylinderblock 3 rotierende Niederhalteplatte vom Abheben von der Hubscheibe 7 gehindert.
Der Zylinderblock 3 stützt sich in axialer Richtung an einer gehäusefesten Steuerfläche 10 ab, die an einer nicht näher dargestellten Steuerscheibe ausgebildet ist, die an dem Gehäuse 8 oder einem entsprechenden Gehäusedeckel drehfest befestigt oder einstückig angeformt sein kann. Die Steuerfläche 10 ist mit nierenförmigen Steuerschlitzen versehen, die einen Sauganschlusskanal und einen Druckanschlusskanal der Axialkolbenmaschine 1 bilden. Die Kolbenausnehmungen 4 sind mittels entsprechender Verbindungskanäle 11 mit den Steuerschlitzen in der Steuerfläche 10 verbindbar, um einen Druckmittelsströmung von den zwischen den Kolbenausnehmungen 4 und den längsverschiebbaren Kolben 5 gebildeten Verdrängerräumen und dem Sauganschlusskanal sowie dem Druckanschlusskanal zu ermöglichen und die primäre Wirkung der Axialkolbenmaschine 1 als Pumpe bzw. Motor zu erzielen.
Der Zylinderblock 3 ist von einer zentrischen Bohrung durchsetzt, durch die eine konzentrisch zur Drehachse 2 angeordnete Triebwelle 12 durch den Zylinderblock 3 geführt ist. Die Triebwelle 12 ist mittels nicht näher dargestellter Lagerungen im Gehäuse 8 drehbar gelagert. Der Zylinderblock 3 ist mit der Triebwelle 12 drehsynchron, jedoch axial verschiebbar verbunden, beispielweise mittels einer Mitnahmeverzahnung 13. Zum Anpressen des Zylinderblocks 3 an die Steuerfläche 10 dient eine nicht näher dargestellte Feder.
In dem Längsschnitt der 1 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.
Aufgrund der Neigung und somit der Schrägstellung der Hubscheibe 7 gegenüber der Drehachse 2 des Zylinderblocks 3 weist der Kolbenauskragungsbereich K während einer Rotation des Zylinderblocks 3 einen sich verändernden axialen Abstand zwischen der 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 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 im Kolbenauskragungsbereich K herausgequetscht, wie in dem Querschnitt der 1 durch die Pfeile P1 verdeutlicht ist. Entsprechend müssen bei einer Rotation vom oberen Totpunkt OT zum unteren Totpunkt UT die sich vergrößernden Zwischenräume zwischen den Kolben 5 im Kolbenauskragungsbereich K mit Druckmittel befüllt werden, wie im Querschnitt der 1 mit den Pfeilen P2 verdeutlicht ist.
Erfindungsgemäß ist im Bereich der Längserstreckung des Kolbenauskragungsbereichs K zwischen den auskragenden Abschnitten der Kolben 5 und der Gehäuseinnenwand 8a des Gehäuses 8 ein Pumpenraum 20 einer Sekundärpumpe gebildet, die die von den sich im Volumen verändernden Zwischenräumen an den Kolben 5 im Kolbenauskragungsbereich K erzeugten Volumenströme und Pumpwirkung zur Erzeugung eines nutzbaren Förderstroms nutzt.
Der Pumpenraum 20 ist von einem durch die Gehäuseinnenwand 8a begrenzten, im Querschnitt der Axialkolbenmaschine 1 gesehen, ringkanalförmigen Strömungskanal gebildet, dessen radiale Erstreckung zur Drehachse 2 im Bereich des oberen Totpunktes OT der Kolben 5 maximal ist und dessen radiale Erstreckung zur Drehachse 2 im Bereich des unteren Totpunktes UT der Kolben 5 minimal ist. Die den Strömungskanal und somit den Pumpenraum 20 bildende Gehäuseinnenwand 8a ist im Bereich des unteren Totpunktes UT der Kolben 5 radial verkleinert und nach radial Innen in Richtung zu den austauchenden Abschnitten der Kolben 5 zurückversetzt und erweitert sich in radialer Richtung in Richtung des oberen Totpunktes OT zu beiden Umfangsrichtungen.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Gehäuseinnenwand 8a des Gehäuses 8 im Bereich des Kolbenauskragungsbereichs K elliptisch ausgeführt, um den Strömungskanal und somit den Pumpenraum 20 zu bilden.
Im Bereich des oberen Totpunktes OT der Kolben ist der Pumpenraum 20 mit einem Sauganschluss 21 und einem Förderanschluss 22 versehen.
Wie in dem Querschnitt der 1 dargestellt ist, ist bei einer Rotation in Drehrichtung n des Zylinderblocks 3 von dem oberen Totpunkt OT zum unteren Totpunkt UT durch die Vergrößerung der Zwischenräume an den Kolben 5 im Kolbenauskragungsbereich K von dem Pumpenraum 20 eine Saugseite S der Sekundärpumpe gebildet, so dass – wie durch den Strömungspfeil P3 verdeutlicht ist – Druckmittel aus dem Sauganschluss 21 in den Pumpenraum 20 angesaugt wird. Bei einer Rotation des Zylinderblocks 3 vom unteren Totpunkt UT zum oberen Totpunkt OT wird durch die Verringerung der Zwischenräume an den Kolben 5 im Kolbenauskragungsbereich K von dem Pumpenraum 20 eine Förderseite D der Sekundärpumpe gebildet, so dass – wie durch den Strömungspfeil P4 verdeutlicht ist – das angesaugte Druckmittel zum Förderanschluss 22 gefördert wird.
Um in dem Pumpenraum 20 die Saugseite S von der Förderseite D zu trennen, ist im Gehäuse 8 im Bereich des Pumpenraum 20 am oberen Totpunkt OT der Kolben 5 ein Trennsteg 25 angeordnet, um den Pumpenraum 20 zu bilden. Mit dem Trennsteg 25 wird erzielt, dass der ringkanalartige Strömungskanal, der den Pumpenraum 20 bildet, von dem Sauganschluss 21 zu dem Förderanschluss 22 geführt ist.
Das Gehäuse 8 ist im Bereich des Kolbenauskragungsbereichs K mit dem beschrieben Verlauf der Gehäuseinnenwand 8a versehen. Im Bereich der Längserstreckung des Zylinderblocks 3 ist die Gehäuseinnenwand 8a bevorzugt kreiszylindrisch und konzentrisch zu dem Zylinderblock 3 ausgebildet, um mit der Außenmantelfläche 3a des Zylinderblocks 3 einen in Umfangsrichtung gleichmäßigen Ringspalt R auszubilden.
Durch den Pumpenraum 20 im Bereich des Kolbenauskragungsbereichs K kann somit in Verbindung mit der Pumpwirkung der Zwischenräume an den auskragenden Kolben 5 eine Sekundärpumpe gebildet werden, wobei ein nutzbarer Förderstrom an dem Förderanschluss 22 ansteht. Die Zwischenräume an den auskragenden Abschnitten der Kolben 5 wirken hierbei ähnlich wie die Zellen einer Flügelzellenpumpe mit axial angeordneten Flügeln, die von den auskragenden Abschnitten der Kolben 5 gebildet werden. Die maximale Druckmittelmenge wird hierbei in Drehrichtung um 90° versetzt zu den Totpunkten OT, UT angesaugt bzw. gefördert.
Durch die gezielte Nutzung der Pumpwirkung der Zwischenräume an den Kolben im Kolbenauskragungsbereichs K als Sekundärpumpe zur Erzeugung eines Förderstroms an dem Förderanschluss 22 können die Planschverluste der auskragenden Abschnitte der Kolben 5 im Kolbenauskragungsbereich K gezielt als Förderstrom der Sekundärpumpe genutzt werden. Zudem wird bei der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine 1 erzielt, dass die durch die Pumpwirkung der auskragenden Kolben 5 erzeugen Volumenströme zu keiner Störung der Strömung in dem Ringspalt R zwischen Gehäuseinnenwand 8a und Außenmantelfläche 3a des Zylinderblocks 3 führen, so dass eine weitgehend ungestörte Umströmung des Zylinderblocks 3 in dem Ringspalt R erzielt wird – wie durch die Strömungspfeile P5 und P6 verdeutlicht ist –, die geringe Planschverluste des rotierenden Zylinderblocks 3 verursacht, und zu keinen nachteiligen Strömungskräften auf den Zylinderblock 3 führen, so dass die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine 1 eine erhöhte Abkippdrehzahl aufweist und mit einer erhöhten Drehzahl betrieben werden kann.
In der 2 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine 1 dargestellt, bei der die Sekundärpumpe als Speisedruckpumpe zur Erzeugung eines Versorgungsdruckes ausgebildet ist. Der Sauganschluss 21 des Pumpenraumes 20 steht hierbei mittels einer Ansaugleitung 30 mit einem Behälter 31 in Verbindung. An den Förderanschluss 22 des Pumpenraums 20 ist eine Förderleitung 32 des Speisekreises 37 angeschlossenan die die Verbraucher 33 des Speisekreises angeschlossen sind. In der Förderleitung 32 kann ein in Richtung zu den Verbrauchern 33 öffnendes Sperrventil 34 angeordnet werden. In der 2 ist weiterhin ein der Förderleitung 32 zugeordnetes Druckabsicherungsventil 35, beispielsweise ein Druckbegrenzungsventil, dargestellt. Weiterhin kann ein Speicher 36 in dem Speisekreis 37 angeordnet werden. Die Verwendung der von der Axialkolbenmaschine 1 im Kolbenauskragungsbereich K gebildeten Sekundärpumpe ermöglicht in einem hydrostatischen Antriebssystems, beispielsweise eines Fahrzeugs, ohne zusätzliche Speisedruckpumpe, die Erzeugung eines Versorgungsdruckes in dem Speisekreis 37.
In der 3 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine 1 dargestellt, in der die Sekundärpumpe als Entleerungspumpe des Gehäuses 8 der Axialkolbenmaschine 1 ausgebildet ist, mit der der Gehäuseinnenraum des Gehäuses 8, in dem der rotierende Zylinderblock 3 angeordnet ist, von Druckmittel entleert werden kann. Der Förderanschluss 22 des Pumpenraums 20 ist hierzu mittels einer Förderleitung 40 an einen Behälter 41 angeschlossen. Der Sauganschluss 21 des Pumpenraums 20 ist mittels einer Ansaugleitung 42 mit dem Behälter 41 verbunden, wobei der Anschluss der Ansaugleitung 42 an den Behälter oberhalb eines Druckmittelsfüllstandes 43 im Behälter 41 erfolgt. An dem Behälter 41 ist weiterhin ein Be- und Entlüftungsventil 44 dargestellt.
Die Sekundärpumpe pumpt bei rotierendem Zylinderblock 3 Druckmittel aus dem Gehäuseinnenraum des Gehäuses 8 in den Behälter 41. Über die Ansaugleitung 42 wird Luft aus dem Behälter 41 in den Gehäuseinnenraum des Gehäuses 8 angesaugt. Sofern hierbei ein Verschäumen des Druckmittels auftritt, wird durch den Anschluss der Ansaugleitung 42 an den Behälter 41 oberhalb des Druckmittelsfüllstandes 43 ein Luft-Schaum-Gemisch aus dem Behälter 41 angesaugt und somit die Schaumenge begrenzt.
Durch das Entleeren des Gehäuses 8 von Druckmittel können die Planschverluste der Axialkolbenmaschine 1 weiter verringert werden und eine erhöhte Grenzdrehzahl erzielt werden.

Claims

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 auf einer Hubscheibe abgestützter Kolben längsverschiebbar angeordnet ist, wobei ein Kolbenauskragungsbereich vorhanden ist, 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, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Kolbenauskragungsbereichs (K) zwischen den auskragenden Abschnitten der Kolben (5) und der Gehäuseinnenwand (8a) des Gehäuses (8) ein Pumpenraum (20) einer Sekundärpumpe gebildet ist, der mit einem Sauganschluss (21) und einem Förderanschluss (22) in Verbindung steht, wobei bei einer Rotation des Zylinderblocks (3) von dem oberen Totpunkt (OT), an dem die Kolben (5) maximal in die Kolbenausnehmungen (4) eingetaucht ist, zum unteren Totpunkt (UT), an dem die Kolben (5) maximal aus den Kolbenausnehmungen (4) ausgetaucht sind, durch eine Vergrößerung der Zwischenräume an den Kolben (5) im Kolbenauskragungsbereich (K) eine Saugseite (S) der Sekundärpumpe gebildet ist und bei einer Rotation des Zylinderblocks (3) vom unteren Totpunkt (UT) zum oberen Totpunkt (OT) durch eine Verringerung der Zwischenräume an den Kolben (5) im Kolbenauskragungsbereich (K) eine Förderseite (D) der Sekundärpumpe gebildet ist.
Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpenraum im Bereich des oberen Totpunktes (OT) mit dem Sauganschluss (21) und dem Förderanschluss (22) in Verbindung steht.
Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpenraum (20) von einem Strömungskanal gebildet ist, dessen radiale Erstreckung zur Drehachse (2) im Bereich des oberen Totpunktes (OT) der Kolben (5) maximal ist und dessen radiale Erstreckung zur Drehachse (2) im Bereich des unteren Totpunktes (UT) der Kolben (5) minimal ist.
Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die radiale Erstreckung des Strömungskanals zur Drehachse (2) von dem oberen Totpunkt (OT) zum unteren Totpunkt (UT) zur Ausbildung der Saugseite (S) verringert und sich die radiale Erstreckung des Strömungskanals zur Drehachse (2) von dem unteren Totpunkt (UT) zum oberen Totpunkt (OT) zur Ausbildung der Förderseite (D) vergrößert.
Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseinnenwand (8a) des Gehäuses (8) im Bereich des Kolbenauskragungsbereichs (K) kreiszylindrisch ist, wobei der Mittelpunkt bezüglich der Drehachse (2) des Zylinderblocks (3) exzentrisch angeordnet und in Richtung des oberen Totpunktes (OT) verschoben ist.
Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseinnenwand (8a) des Gehäuses (8) im Bereich des Kolbenauskragungsbereichs (K) elliptisch ist.
Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (8) zur Trennung der Saugseite (S) und der Förderseite (D) in dem Pumpenraum (20) ein Trennsteg (25) angeordnet ist.
Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Längserstreckung des Zylinderblocks (3) zwischen der Außenmantelfläche (3a) des Zylinderblocks (3) und der Gehäuseinnenwand (8a) des Gehäuses (8) ein gleichmäßiger Ringspalt (R) ausgebildet ist.
Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärpumpe als Speisedruckpumpe ausgebildet ist.
Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärpumpe als Entleerungspumpe des Gehäuses (8) der Axialkolbenmaschine (1) ausgebildet ist.
Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Förderanschluss (22) mit einem Behälter (41) in Verbindung steht und der Sauganschluss (21) an den Behälter (41) oberhalb des Druckmittelfüllstandes (43) angeschlossen ist.
Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialkolbenmaschine (1) als Schrägscheibenmaschine ausgebildet ist.
Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialkolbenmaschine (1) als Schrägachsenmaschine ausgebildet ist.