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Stand der Technik
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Axialkolbenmaschine ist ein Sammelbegriff für ein in der Hydraulik verwendetes Gerät wie Axialkolbenpumpe oder Axialkolbenmotor. Eine Axialkolbenpumpe setzt mechanische Energie wie Drehmoment und Drehzahl in hydraulische Energie wie Volumenstrom und Druck um. Ein Axialkolbenmotor ist dem Aufbau einer Axialkolbenpumpe sehr ähnlich, setzt aber im Gegensatz zur Axialkolbenpumpe hydraulische Energie wie Volumenstrom und Druck in mechanische Energie wie Drehmoment und Drehzahl um. Gerade der Aufbau einer Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise ist geeignet, beispielsweise mehrere Axialkolbenpumpen und/oder Axialkolbenmotoren hintereinander an einer gemeinsamen Antriebswelle anzuordnen, wobei die Axialkolbenpumpen und die Axialkolbenmotoren miteinander fluidkommunizierend verbunden sind.
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Ein großer Vorteil von Axialkolbenmaschinen gegenüber anderen Bauarten ist die große Stabilität und die gute innere Abdichtung, wodurch hohe Drücke möglich sind. In der Regel werden mittels derartiger Axialkolbenpumpen Drücke von 500 bis 600 bar erreicht. Das Leistungsspektrum serienmäßiger Axialkolbenmaschinen reicht von etwa 1 bis etwa 1000 kW mit Drehzahlen bis zu 12.000 min–1.
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Bekannt ist bei Axialkolbenmaschinen in Schrägscheibenbauweise, dass mit steigender Auslenkung der Schrägscheibe gegenüber der An- und/oder Abtriebsachse der Wirkungsgrad steigt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es kann ein Bedürfnis bestehen, eine Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise bereitzustellen, die einen verbesserten Wirkungsgrad im Teillastbereich aufweist.
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Dieses Bedürfnis kann durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche befriedigt werden. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich durch die Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise mit einer Kolbentrommel bereitgestellt, wobei die Kolbentrommel mit einer um eine Drehachse drehbaren Antriebswelle drehfest verbunden ist. Die Kolbentrommel weist eine Mehrzahl von sich im Wesentlichen parallel zu der Drehachse angeordneten ersten Zylindern auf. Die ersten Zylinder sind auf einem ersten Kreis mit einem ersten Durchmesser angeordnet. In jedem ersten Zylinder ist ein zwischen einem ersten unteren Totpunkt und einem ersten oberen Totpunkt entlang einer ersten translatorischen Richtung verlagerbarer erster Kolben angeordnet. Jeder erste Kolben ist entlang der ersten translatorischen Richtung druckübertragungsfähig an einer gelenkig angeordneten und in ihrer Neigung zu der Drehachse verstellbaren Schrägscheibe koppelbar. Die Kolbentrommel weist eine Mehrzahl von sich im Wesentlichen parallel zu der Drehachse angeordneten zweiten Zylindern auf, wobei die zweiten Zylinder auf einem zweiten Kreis mit einem zweiten Durchmesser angeordnet sind. In jedem zweiten Zylinder ist ein zwischen einem zweiten unteren Totpunkt und einem zweiten oberen Totpunkt entlang einer zweiten translatorischen Richtung verlagerbarer zweiter Kolben angeordnet, wobei jeder zweite Kolben entlang der translatorischen Richtung druckübertragungsfähig an die Schrägscheibe koppelbar ist. Hierbei ist der erste Durchmesser von dem zweiten Durchmesser verschieden.
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Weiterhin ist der Mittelpunkt des ersten Kreises gleich dem Mittelpunkt des zweiten Kreises. Natürlich können auch weitere Zylinder in beispielsweise einem dritten und/oder vierten Kreis angeordnet werden, wobei diese Kreise zu dem ersten und zweiten Kreis konzentrisch sein können. Bei einer vorgegebenen Neigung der Schrägscheibe zu der An- oder Abtriebswelle können, wenn die ersten Zylinder und die zweiten Zylinder im Querschnitt einen identischen Flächeninhalt aufweisen, die Zylinder, die auf dem Kreis mit dem größeren Durchmesser angeordnet sind, ein größeres Volumen bei gleichzeitig größerem Arbeitshub fördern. Da sich der Wirkungsgrad mit steigendem Arbeitshub vergrößert, wird der Wirkungsgrad der Axialkolbenmaschine durch die Anordnung von zweiten Zylindern mit zweiten Kolben und/oder weiteren Zylindern mit weiteren Kolben dadurch verbessert, dass im Teillastbereich mindestens eine der ersten, der zweiten und der weiteren Zylinder deaktiviert werden können und die aktiven Zylinder dadurch in einem größeren Arbeitshubbereich mit einem besseren Wirkungsgrad betrieben werden. Die erste translatorische Richtung kann parallel zu der zweiten translatorischen Richtung verlaufen. Die einzelnen Kolben liegen mit sogenannten Gleitschuhen an der relativ zu den Kolben feststehenden Schrägscheibe an, so dass von den Kolben auf die Schrägscheibe nur Druckkkräfte übertragen werden können und umgekehrt. Wenn sich die Kolben gegenüber der Schrägscheibe drehen, gleiten die Gleitschuhe an der Anlagefläche auf der Schrägscheibe.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung sind die ersten Zylinder der Axialkolbenmaschine in einer ersten Anzahl vorhanden und die zweiten Zylinder in einer zweiten Anzahl vorhanden. Hierbei ist die erste Anzahl von der zweiten Anzahl verschieden.
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Es hat sich jedoch gezeigt, dass es aus fertigungstechnischen Gründen einfacher ist, identische Kolben zu verwenden und die Länge der Zylinder in der Kolbentrommel an den jeweiligen Kolbenhub anzupassen. Somit können auf einem Kreis mit einem größeren Durchmesser mehr Zylinder mit Kolben untergebracht werden als auf einem Kreis mit einem kleineren Durchmesser.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung sind die ersten Zylinder der Axialkolbenmaschine in einer ersten Anzahl vorhanden und die zweiten Zylinder in einer zweiten Anzahl vorhanden. Hierbei ist die erste Anzahl gleich der zweiten Anzahl.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung sind die erste Anzahl der ersten Zylinder der Axialkolbenmaschine und/oder die zweite Anzahl der zweiten Zylinder ungerade.
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Die Wahl einer ungeraden Zylinderzahl kann Pulsationen oder Schwingungen des Fluids im System zumindest weitestgehend verhindern. Somit kann sich im Teillastbereich, also wenn die Schrägscheibe nur zu einem Teil über ihren gesamten Schwenkbereich ausgelenkt ist, ein günstigeres Anregungsverhalten hinsichtlich Druckpulsationen ergeben. Natürlich kann auch die erste Anzahl der Zylinder beispielsweise gerade und lediglich die zweite Anzahl ungerade sein.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung weist der erste Zylinder der Axialkolbenmaschine eine erste Zylinderwandung und einen ersten Hubraum auf. Der erste Kolben weist einen ersten Kolbenboden auf. Der erste Hubraum ist von dem in den ersten unteren Totpunkt verlagerten ersten Kolbenboden, von dem in den ersten oberen Totpunkt verlagerten ersten Kolbenboden und von der ersten Zylinderwandung begrenzt. Der zweite Zylinder weist eine zweite Zylinderwandung und einen zweiten Hubraum auf. Der zweite Kolben weist einen zweiten Kolbenboden auf, der vom ersten Kolbenboden verschieden ist. Der zweite Hubraum ist von dem in den zweiten unteren Totpunkt verlagerten zweiten Kolbenboden, von dem in den zweiten oberen Totpunkt verlagerten zweiten Kolbenboden und von der zweiten Zylinderwandung begrenzt. Der erste Kolben weist einen ersten von dem ersten unteren Totpunkt und dem ersten oberen Totpunkt begrenzten Kolbenhub auf und der zweite Kolben einen zweiten von dem zweiten unteren Totpunkt und dem zweiten oberen Totpunkt begrenzten Kolbenhub auf. Betrachtet man die Hubräume bei gleichem ersten Kolbenhub und zweiten Kolbenhub, sind der erste Hubraum und der zweite Hubraum verschieden.
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Wenn die Zylinder als gerade Kreiszylinder ausgebildet sind, bedeutet dies, dass der erste Kolbenboden des ersten Kolbens im ersten Zylinder einen ersten Kolbenbodendurchmesser aufweist, welcher von einem zweiten Kolbendurchmesser des zweiten Kolbenbodens des zweiten Kolbens im zweiten Zylinder verschieden ist. Durch die Wahl der unterschiedlichen Kolbendurchmesser kann ein von den ersten Zylindern erzeugter erster Volumenstrom von einem von den zweiten Zylindern erzeugten zweiten Volumenstrom variieren. Natürlich kann der erste Hubraum und der zweite Hubraum in Verbindung mit der ersten Anzahl der ersten Zylinder und der zweiten Anzahl der zweiten Zylinder derart gestaltet sein, dass der erste Volumenstrom von dem zweiten Volumenstrom differiert. In der Regel wird der zweite Volumenstrom größer sein als der erste Volumenstrom.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung weist der erste Zylinder eine erste Zylinderwandung und einen ersten Hubraum auf. Der erste Kolben weist einen ersten Kolbenboden auf. Der erste Hubraum ist von dem in den ersten unteren Totpunkt verlagerten ersten Kolbenboden, von dem in den ersten oberen Totpunkt verlagerten ersten Kolbenboden und von der ersten Zylinderwandung begrenzt. Der zweite Zylinder weist eine zweite Zylinderwandung und einen zweiten Hubraum auf. Der zweite Kolben weist einen zweiten Kolbenboden auf. Der zweite Hubraum ist von dem in den zweiten unteren Totpunkt verlagerten zweiten Kolbenboden, von dem in den zweiten oberen Totpunkt verlagerten zweiten Kolbenboden und von der zweiten Zylinderwandung begrenzt. Der erste Kolben weist einen ersten von dem ersten unteren Totpunkt und dem ersten oberen Totpunkt begrenzten Kolbenhub auf. Der zweite Kolben weist einen zweiten von dem zweiten unteren Totpunkt und dem zweiten oberen Totpunkt begrenzten Kolbenhub auf. Hierbei sind der erste und der zweite Hubraum gleich, wenn der erste Kolbenhub und der zweite Kolbenhub gleich sind.
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Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel dadurch, dass, wenn die ersten Zylinder und die zweiten Zylinder als gerade Kreiszylinder ausgebildet sind, ein erster Kolbenbodendurchmesser des ersten Kolbenbodens des ersten Kolbens und ein zweiter Kolbenbodendurchmesser des zweiten Kolbenbodens des zweiten Kolbens gleich sind. Die in dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel geschilderten Vorteile sind auch für dieses Ausführungsbeispiel gültig. Auch hier wird in der Regel in vorteilhafter Art und Weise darauf geachtet, dass der erste Volumenstrom der ersten Zylinder in Verbindung mit der ersten Anzahl und der zweite Volumenstrom der zweiten Zylinder in Verbindung mit der zweiten Anzahl verschieden sind. Auch hier wird in der Regel der zweite Volumenstrom größer sein als der erste Volumenstrom.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich der erste Zylinder entlang einer ersten Mittellinie. Der zweite Zylinder erstreckt sich entlang einer zweiten Mittellinie. Eine erste Halbgerade beginnt von der Drehachse und schneidet die erste Mittelinie. Eine zweite Halbgerade beginnt von der Drehachse und schneidet die zweite Mittelinie. Die erste Halbgerade und die zweite Halbgerade spannen eine Ebene auf, die senkrecht zu der Drehachse ist. Ein zwischen der ersten Halbgerade und der zweiten Halbgerade eingeschlossener Winkel ist ungleich 0°.
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Somit können auf der ersten oder der zweiten Gerade bezüglich der Drehachse einander gegenüberliegend ein erster Zylinder und ein zweiter Zylinder angeordnet sein, so dass damit der eingeschlossene Winkel 180° beträgt. Jedoch können in diesem Ausführungsbeispiel nicht der erste Zylinder und der zweite Zylinder direkt benachbart, da der zwischen den beiden Geraden eingeschlossene somit Winkel 0° betragen würde. Durch diese vorteilhafte Anordnung lassen sich im Volllastbetrieb, wenn also die Schrägscheibe maximal zu der Drehachse ausgelenkt ist, Pulsationen wirkungsvoll unterdrücken. Der Winkel kann derart bemessen sein, dass, wenn ein erster Zylinder von einem Niederdruck zu einem Hochdruck umgesteuert wird, zeitgleich lediglich ein zweiter Zylinder von Hochdruck zu Niederdruck umgesteuert werden kann, nicht jedoch ein weiterer erster Zylinder.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Axialkolbenmaschine ferner ein Steuerelement auf, wobei das Steuerelement mit einer der Schrägscheibe abgewandten Seite der Kolbentrommel fluiddicht verbunden ist. Die Kolbentrommel ist bezüglich des Steuerelements drehbar. Durch das Steuerelement sind den ersten Zylindern ein erster Eingangsbereich und ein erster Ausgangsbereich bereitgestellt. Durch das Steuerelement sind den zweiten Zylindern ein zweiter Eingangsbereich und ein zweiter Ausgangsbereich bereitgestellt. Hierbei sind alle Bereiche voneinander fluiddicht getrennt.
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Somit hat ein Fluid, welches dem ersten Eingangsbereich zugeführt wird, keine Verbindung zu einem Fluid, welches dem zweiten Eingangsbereich zugeführt ist. Auch ist das Fluid, welches dem ersten Eingangsbereich zugeführt ist, durch das Steuerelement von dem Fluid getrennt, welches mittels des ersten oder des zweiten Ausgangsbereich abgeführt wird. Somit ist es auch möglich, die ersten Zylinder mit einem ersten Fluid und die zweiten Zylinder mit einem zweiten Fluid zu betreiben, wobei das erste Fluid von dem zweiten Fluid unterschiedlich sein kann. Das Steuerelement kann beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass die Anschlüsse als nierenförmige oder kreisringförmige Ausnehmungen ausgestaltet sind. Beispielsweise könnten der erste Eingangsbereich und der erste Ausgangsbereich auf einem gemeinsamen dritten Kreis mit einem dritten Durchmesser angeordnet sein, wobei die kreisringförmige oder nierenförmige Ausformung des ersten Eingangsanschlusses von der nierenförmigen oder kreisringförmigen Ausformung des ersten Ausgangsanschlusses lediglich durch Stege unterbrochen sind. In der Regel werden die Stege derart in Abhängigkeit der Schwenkrichtung der Schrägscheibe angeordnet sein, dass eine Trennung des Eingangsbereichs von dem Ausgangsbereich in einem Bereich erfolgt, in dem der erste Kolben seine translatorische Bewegung umkehrt, also wenn der erste Kolben seinen unteren und seinen oberen Totpunkt erreicht hat. Natürlich kann der zweite Eingangsbereich und der zweite Ausgangsbereich ebenso gestaltet sein, wobei der zweite Eingangsbereich und der zweite Ausgangsbereich dann die auf einem vierten Kreis mit einem vierten Durchmesser angeordnet sein können, wobei der vierte Durchmesser von dem dritten Durchmesser verschieden sein kann.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist dem ersten Eingangsbereich ein erster Hochdruck und dem zweiten Eingangsbereich ein zweiter Hochdruck zugeordnet. Der erste Eingangsbereich ist mittels eines ersten Ventils von dem ersten Hochdruck und der zweite Eingangsbereich mittels eines zweiten Ventils von dem zweiten Hochdruck trennbar.
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In der Regel werden der erste Hochdruck und der zweite Hochdruck gleich sein. Sowohl der erste Hochdruck als auch der zweite Hochdruck können in der Regel von einem gemeinsamen Hydrostaten oder einem Hydraulikspeicher bereitgestellt werden. In vorteilhafter Art und Weise können das erste Ventil und das zweite Ventil derart angeordnet sein, dass, wenn die Axialkolbenmaschine nicht in Betrieb ist, der erste Hochdruck und der zweite Hochdruck von dem Hydrostaten getrennt sind. Hierdurch lässt sich beispielsweise ein Leerlaufen eines Hydraulikspeichers in einem Hydraulikhybridfahrzeug vermeiden.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung sind der erste Ausgangsbereich und der erste Eingangsbereich durch ein erstes Ventil miteinander fluidleitend verbindbar. Der zweite Ausgangsbereich und der zweite Eingangsbereich sind durch ein zweites Ventil miteinander fluidleitend verbindbar.
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Durch diese Anordnung können die ersten Zylinder und/oder zweiten Zylinder kurzgeschlossen werden. Durch einen Kurzschluss kann das in dem jeweiligen Kreislauf befindliche Fluid zirkulieren, ohne dass durch die Kolbenbewegung, die durch die umlaufende Axialkolbenmaschine mit einer ausgeschwenkten Schrägscheibe verursacht ist, dem Gesamtsystem Druckkräfte entgegengesetzt werden. Da jedoch auch bei mitlaufenden Kolben sowie dem zirkulierenden Fluid in dem kurzgeschlossenen System Reibungskräfte entstehen, die den Wirkungsgrad des Gesamtsystems verringern können, ist insbesondere auf geringe Strömungsverluste wie beispielsweise in den Zylindern, den Ventilen und/oder dem Steuerelement zu achten. Dadurch, dass die ersten Zylinder und die zweiten Zylinder getrennt voneinander fluidverdichtend betrieben werden können, kann die Schrägscheibe der Axialkolbenmaschine bei einer vorbestimmten Drehzahl und/oder bei einem vorbestimmten Drehmoment im Teillastbereich stärker gegenüber der Drehachse ausgeschwenkt werden als dies bei einer Axialkolbenmaschine mit lediglich ersten Zylindern der Fall ist. Hierdurch kann die gesamte Axialkolbenmaschine in einem günstigeren Wirkungsgradkennfeld betrieben werden. Auch ist es möglich, durch eine geeignete Wahl der Aktivierung bzw. Deaktivierung der ersten und/oder zweiten Zylinder die Axialkolbenmaschine in weiten Betriebsbereichen mit großen Schwenkwinkeln der Schrägscheibe zu betreiben. Hierdurch steigt der Wirkungsgrad im Teillastbereich. Durch eine Deaktivierung der jeweiligen Zylinder vom Hochdruck werden gleichzeitig Leckageverluste reduziert.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung sind das erste Ventil und das zweite Ventil je ein 2/3-Wegeventil.
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Die Ventile sind in der Regel als Magnetventile ausgeführt. Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung sind alle Ventile in dem Steuerelement integriert.
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Somit bildet die Axialkolbenmaschine eine kompakte Einheit, die nach außen hin lediglich einen Hochdruck- und einen Niederdruckanschluss aufweist.
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Es wird angemerkt, dass Gedanken zu der Erfindung hierin im Zusammenhang mit einer Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise beschrieben sind. Einem Fachmann ist hierbei klar, dass die einzelnen beschriebenen Merkmale auf verschiedene Weise miteinander kombiniert werden können, um so auch zu anderen Ausgestaltungen der Erfindung zu gelangen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben. Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu.
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1 zeigt eine Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise im Längsschnitt mit zu einer Drehachse senkrecht stehender Schrägscheibe nach dem Stand der Technik;
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2 zeigt die Axialkolbenmaschine aus 1 im Pumpenbetrieb unter Volllast im Längsschnitt nach dem Stand der Technik;
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3 zeigt die Axialkolbenmaschine aus 1 im Motorbetrieb unter Teillast im Längsschnitt nach dem Stand der Technik;
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4 zeigt eine Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise mit ersten und zweiten Zylindern im Längsschnitt mit zu einer Drehachse senkrecht stehender Scheibe;
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5 zeigt die Axialkolbenmaschine aus 4 im Pumpenbetrieb unter Teillast im Längsschnitt;
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6 zeigt eine Kolbentrommel der Axialkolbenmaschine aus 4 in Aufsicht;
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7 zeigt ein Steuerelement der Axialkolbenmaschine aus 4 in Aufsicht;
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8 zeigt ein Schaltschema einer Ansteuerung der Axialkolbenmaschine aus 4 mit zwei 2/3-Wege-Ventilen; und
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9 zeigt die Axialkolbenmaschine aus 4 mit in dem Steuerelement integrierten 2/3-Wege-Ventilen.
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Detaillierte Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform
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Anhand der 1, 2 und 3 wird die Funktionsweise einer Axialkolbenmaschine 2 in Schrägscheibenbauweise nach dem Stand der Technik erklärt. In 1 sind die wesentlichen Bauelemente dieser Axialkolbenmaschine 2 beispielhaft dargestellt. Eine Schrägscheibe 4 ist um einen Drehpunkt 6 drehbar gelagert, wobei der Drehpunkt 6 eine Drehachse 10 schneiden kann. Oberhalb der Drehachse 10 ist eine Verstelleinheit 8 dargestellt, die mit einem hier nicht dargestellten Gehäuse fest verbunden ist. Durch ein Verstellen der Verstelleinheit 8 wird die Schrägscheibe 4, welche in 1 senkrecht auf die Drehachse 10 steht und entsprechend einen Neigungswinkel α von 90° einnimmt, gegenüber der Drehachse 10 ausgelenkt, wie dies in den 2 und 3 sichtbar ist. Hierbei ist die Verstelleinheit 8 mit der Schrägscheibe 6 derart verbunden, dass lediglich eine Bewegung in translatorischer Richtung möglich ist. Um die Drehachse 10 ist eine Antriebswelle 12 drehbar angeordnet, die in translatorischer und rotatorischer Richtung fest mit einer Kolbentrommel 14 verbunden ist. In der Kolbentrommel 14 sind parallel zu der Drehachse 10 erste Zylinder 16 angeordnet, in denen sich erste Kolben 18 mit ersten Kolbenböden 19 befinden. Die ersten Kolben 18 liegen mit ihren ersten Gleitschuhen 20 auf einer Oberfläche 22 der Schrägscheibe 4. Über diese Verbindung können Druckkräfte übertragen werden. Die ersten Kolben 18 gleiten entlang einer ersten Zylinderwandung 30. Die ersten Zylinder 16 sind kreisförmig und konzentrisch um die Drehachse 10 angeordnet. Die Zylinder werden sowohl mit einem Hochdruck H als auch mit einem Niederdruck N verbunden. Der Schnitt durch die Kolbentrommel 14 ist derart gewählt, dass von den mit dem Hochdruck H verbundenen ersten Zylindern 16 einer oberhalb der Drehachse 10 dargestellt ist. Weiterhin ist der Schnitt durch die Kolbentrommel 14 derart gewählt, dass von den mit dem Niederdruck N verbundenen ersten Zylindern 16 einer unterhalb der Drehachse 10 dargestellt ist. Eine der Oberfläche 22 der Schrägscheibe 4 abgewandte Seite 15 der Kolbentrommel 14 ist fluiddicht drehbar mit einer mit einem hier nicht dargestellten Gehäuse fest verbundenen Anschlussplatte 34 verbunden.
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In der in 1 dargestellten Funktionsweise der Axialkolbenmaschine werden die ersten Kolben 18 durch eine Drehung der Antriebswelle 12 zueinander nicht bewegt, so dass ein in den ersten Zylindern 16 befindliches Fluid weder verdichtet noch entspannt ist.
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2 zeigt die Axialkolbenmaschine 2 aus 1 im Pumpenbetrieb unter Volllast im Längsschnitt. Deutlich sichtbar ist, dass die Schrägscheibe 4 mittels der Verstelleinheit 8 in seine Maximalposition ausgelenkt wurde und damit der zwischen der Schrägscheibe 4 und der Drehachse 10 eingeschlossene Neigungswinkel α erheblich größer als 90° ist. Die Schrägachsenmaschine 2 in der hier vorliegenden Ausführungsform wird als Axialkolbenpumpe, auch Hydrostat genannt, in Schrägscheibenbauweise betrieben. Deutlich sichtbar ist, dass der erste Kolbenboden 19 des ersten Kolbens 18 sich zwischen einem ersten unteren Totpunkt 24 und einem ersten oberen Totpunkt 26 bewegt. Diese Strecke wird auch als erster Kolbenhub 32 bezeichnet. Der erste Hubraum 28 wird begrenzt von der ersten Zylinderwandung 30, von dem ersten Kolbenboden 19, wenn er in seinen ersten unteren Totpunkt 24 verlagert ist, und dem ersten Kolbenboden 19, wenn er in seinen ersten oberen Totpunkt 26 verlagert ist.
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Die Antriebswelle 12 wird von einer nicht dargestellten Antriebseinheit angetrieben. Die Antriebseinheit kann die Antriebswelle 12 drehen. Auch kann die Antriebswelle drehzahl- oder drehmomentgeregelt gedreht werden Ein Fluid wird durch den sich in Richtung der Schrägscheibe 4 von dem ersten unteren 24 zu dem ersten oberen Totpunkt 26 verlagernden ersten Kolben 18 auf der Niederdruckseite N angesaugt und mittels der sich anschließend in Richtung der Anschlussplatte 34 von dem ersten oberen 26 zu dem unteren Totpunkt 24 verlagernden ersten Kolben 18 auf der Hochdruckseite H verdrängt.
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3 zeigt die Axialkolbenmaschine 2 aus 1 im Motorbetrieb unter Teillast. Hier wird die Schrägscheibe 4 mittels der Verstelleinheit 8 in entgegengesetzter Richtung wie in 2 verstellt, so dass der Neigungswinkel α zwischen der Schrägscheibe 4 und der Drehachse 10 einen Neigungswinkel α von weniger als 90° einnimmt. Dadurch, dass die Schrägscheibe 4 nicht so weit ausgelenkt ist als in der 2 dargestellt, ist der erste Kolbenhub 32 auch geringer.
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Der Hochdruck H des Fluids wird der Hochdruckseite H des in 3 dargestellten Motors zugeführt. Durch das Fluid werden die in den ersten unteren Totpunkt 24 verlagerten ersten Kolben 18 in Richtung der Schrägscheibe 4 bis zu ihrem oberen Totpunkt 26 verlagert. Durch die Verlagerung der Kolben 18 wird eine Rotation der Kolbentrommel 14 und der mit ihr verbundenen Antriebswelle 12 angestoßen. Die Antriebswelle 12 kann nunmehr einen mit ihr verbundenen Endverbraucher antreiben. Anschließend wird das entspannte Fluid auf der Niederdruckseite N durch den von dem oberen 26 zu dem unteren Totpunkt 24 zu verlagernden ersten Kolben aus dem Axialkolbenmotor ausgestoßen. Das ausgestoßene Fluid wird der Niederdruckseite der Axialkolbenpumpe aus 2 zugeführt.
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4 zeigt eine Axialkolbenmaschine 2 in Schrägscheibenbauweise aus 1, bei der eine Kolbentrommel 36 zusätzlich zweite Zylinder 38 aufweist, in denen zweite Kolben 40 mit einem zweiten Kolbenboden 42 angeordnet sind. Die zweiten Zylinder 38 sind im Wesentlichen parallel zu den ersten Zylindern 16 angeordnet. Hierbei sind die ersten Zylinder 16 auf einem ersten Kreis 58 mit einem ersten Durchmesser 59 angeordnet, wobei sich ein Mittelpunkt des ersten Kreises 58 auf der Drehachse 10 befindet. Konzentrisch zu dem ersten Kreis 58 befindet sich ein zweiter Kreis 60 mit einem zweiten Durchmesser 61, auf dem die zweiten Zylinder 38 angeordnet sind. Die zweiten Kolben 40 liegen an der Oberfläche 22 der Schrägscheibe 4 mittels zweiter Gleitschuhe 44 derart an, dass zwischen den zweiten Kolben 40 und der Schrägscheibe 4 Druckkräfte übertragen werden können. Eine der Schrägscheibe 4 abgewandte Seite 37 der Kolbentrommel 36 ist fluiddicht drehbar gegenüber einem mit einem hier nicht dargestellten Gehäuse fest verbundenen Steuerelement 56 verbunden. Die ersten Zylinder 16 werden sowohl mit einem ersten Hochdruck H1 als auch mit einem ersten Niederdruck N1 verbunden. Die zweiten Zylinder 38 werden sowohl mit einem zweiten Hochdruck H2 als auch mit einem zweiten Niederdruck N2 verbunden. Der Schnitt durch die Kolbentrommel 36 ist derart gewählt, dass von den mit dem Hochdruck H1 verbundenen ersten Zylindern 16 und den mit dem zweiten Hochdruck H2 verbundenen zweiten Zylindern 38 jeweils einer oberhalb der Drehachse 10 dargestellt ist. Weiterhin ist der Schnitt durch die Kolbentrommel 14 derart gewählt, dass von den mit dem Niederdruck N1 verbundenen ersten Zylindern 16 und den mit dem zweiten Niederdruck N2 verbundenen zweiten Zylindern 38 jeweils einer unterhalb der Drehachse 10 dargestellt ist. Gegenüber der Seite 17 der Kolbentrommel 36 befindet sich eine Kolbentrommelvorderseite 17, durch die die ersten 18 und zweiten Kolben 40 zu ihren jeweiligen Zylinder 16, 38 hindurchtreten.
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5 zeigt die aus 4 bekannte Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise 2 im Pumpenbetrieb mit entgegengesetzter Drehrichtung gegenüber der Darstellung aus 2. Entsprechend der geänderten Drehrichtung ist der Neigungswinkel α zwischen der Drehachse 10 und der Schrägscheibe 4 in diesem Fall kleiner als 90°. Die ersten Zylinder 16 und die zweiten Zylinder 38 sind jeweils als gerade Kreiszylinder ausgebildet, wobei die ersten Zylinder 16 und die zweiten Zylinder 38 den gleichen Durchmesser besitzen. Der zweite Kolben 40 besitzt einen zweiten Kolbenhub 54. Der Kolbenhub 54 bestimmt sich aus einer Strecke, um die der zweite Kolbenboden 42 von einem zweiten unteren Totpunkt 46 in einen zweiten oberen Totpunkt 48 verlagert ist. Ein zweiter Hubraum 50 wird analog zum ersten Hubraum 28 begrenzt durch den in den zweiten unteren Totpunkt 46 verlagerten zweiten Kolbenboden 42, durch den in den zweiten oberen Totpunkt 48 verlagerten zweiten Kolbenboden 42 sowie einer zweiten Zylinderwandung 52. Deutlich sichtbar ist, dass sich der erste untere Totpunkt 24 und der zweite untere Totpunkt 46 auf einer gemeinsamen Linie befinden. Dies ergibt sich jedoch zufällig in der hier dargestellten Ausschwenkung der Schrägscheibe 4. Weiterhin ist erkenntlich, dass der zweite Kolbenhub 54 größer ist als der erste Kolbenhub 32, da sich die zweiten Zylinder 38 von dere Drehachse 10 weiter entfernt befinden als die ersten Zylinder 16. Damit ist der zweite Hubraum 50 größer als der erste Hubraum 28. Somit wird in dieser Anordnung in Abhängigkeit der Anzahl der jeweiligen Zylinder durch die zweiten Zylinder 38 mehr Fluid gefördert oder verdichtet bzw. entspannt als durch die ersten Zylinder 16.
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6 zeigt eine der Schrägscheibe 4 gegenüberliegende Kolbentrommelvorderseite 17 der Kolbentrommel 14 der Axialkolbenmaschine 2 aus 4 ohne Kolben 18, 40 dargestellt. Aus Übersichtlichkeitsgründen sind die ersten 16 und zweiten Zylinder 38 jeweils schraffiert dargestellt. Auf dem ersten Kreis 58 mit dem ersten Durchmesser 59 sind gleichmäßig verteilt die ersten Zylinder 16 angeordnet. Die Anzahl der hier angeordneten ersten Zylinder 16 beträgt sieben. Auf dem zweiten Kreis 60 mit dem zweiten Durchmesser 61 sind neun zweite Zylinder 38 gleichmäßig über den zweiten Kreis 60 verteilt angeordnet. Die zweite Anzahl der zweiten Zylinder 38 ist größer als die erste Anzahl der ersten Zylinder 16. Natürlich kann die Anzahl auch gleich sein. Weiterhin ist der zweite Durchmesser 61 größer als der erste Durchmesser 59. Die Drehachse 10 tritt in dem Schnittpunkt S durch die Kolbentrommelvorderseite 17 hindurch. Die ersten Zylinder 16 erstrecken sich um eine erste Mittelachse 62, die im ersten Mittelpunkt M1 die Kolbentrommelvorderseite 17 schneidet. Die zweiten Zylinder 38 erstrecken sich um eine zweite Mittelachse 64, die im zweiten Mittelpunkt M2 die Kolbentrommelvorderseite 17 schneidet. Beginnend von dem Schnittpunkt S und durch den ersten Mittelpunkt M1 verlaufend ist eine erste Halbgerade 70 dargestellt. Beginnend von dem Schnittpunkt S und durch den zweiten Mittelpunkt M2 verlaufend ist eine zweite Halbgerade 72 dargestellt. Die beiden Halbgeraden 70, 72 spannen eine Ebene auf, die senkrecht zur Drehachse 10 steht. Zwischen der ersten Halbgerade 70 und der zweiten Halbgeraden 72 wird ein Winkel β eingeschlossen. Der Winkel β ist hier ungleich 0°. Damit befindet sich einer der ersten Zylinder 16 und einer der zweiten Zylinder 38 niemals auf der gleichen Winkelposition um den Schnittpunkt S
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7 zeigt das Steuerelement 56 der Axialkolbenmaschine 2 aus 4 in einer Aufsicht. Das Steuerelement 56 teilt sich in eine obere und eine untere Hälfte, wobei in der oberen Hälfte ein erster Hochdruck H1 und ein zweiter Hochdruck H2 bereitgestellt und in der unteren Hälfte ein erster Niederdruck N1 und ein zweiter Niederdruck N2 bereitgestellt sind. Ein erstes verdichtetes Fluid wird durch die erste Hochdruckseite H1 mittels einem ersten Eingangsbereich 74 den ersten Zylindern 16 im Motorbetrieb zugeführt bzw. im Pumpenbetrieb entnommen. Der erste Eingangsbereich 74 ist als eine kreisringförmige oder nierenförmige Ausnehmung in dem Steuerelement 56 ausgebildet. Dieses gilt auch für einen ersten Ausgangsbereich 76. Ein erstes entspanntes Fluid wird durch die erste Niederdruckdruckseite N1 mittels dem ersten Ausgangsbereich 76 den ersten Zylindern 16 im Motorbetrieb entnommen bzw. im Pumpenbetrieb zugeführt. Der erste Eingangsbereich 74 und der erste Ausgangsbereich 76 sind auf einem dritten Kreis 73 mit einem dritten Durchmesser 75 angeordnet, wobei die Hochdruckseite H1 von der Niederdruckseite N1 bzw. der erste Eingangsbereich 74 von dem ersten Ausgangsbereich 76 durch einen Steg 81 getrennt ist und der dritte Durchmesser 75 etwa dem ersten Durchmesser 59 entspricht.
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Ein zweites verdichtetes Fluid wird durch die zweite Hochdruckseite H2 mittels einem zweiten Eingangsbereich 78 den zweiten Zylindern 38 im Motorbetrieb zugeführt bzw. im Pumpenbetrieb entnommen. Der zweite Eingangsbereich 78 ist als eine kreisringförmige oder nierenförmige Ausnehmung in dem Steuerelement 56 ausgebildet. Dieses gilt auch für einen zweiten Ausgangsbereich 80. Ein zweites entspanntes Fluid wird durch die zweite Niederdruckdruckseite N2 mittels dem zweiten Ausgangsbereich 80 den zweiten Zylindern 38 im Motorbetrieb entnommen bzw. im Pumpenbetrieb zugeführt. Der zweite Eingangsbereich 78 und der zweite Ausgangsbereich 80 sind auf einem vierten Kreis 77 mit einem vierten Durchmesser 79 angeordnet, wobei die zweite Hochdruckseite H2 von der zweiten Niederdruckseite N2 bzw. der zweite Eingangsbereich 78 von dem zweiten Ausgangsbereich 80 durch einen Steg 81 getrennt ist und der vierte Durchmesser 79 etwa dem zweiten Durchmesser 61 entspricht. Dementsprechend ist der dritte Durchmesser 75 kleiner als der vierte Durchmesser 79. In der Regel entsprechen der dritte Durchmesser 75 dem ersten Durchmesser 59 sowie der vierte Durchmesser 79 dem zweiten Durchmesser 61. In dem hier vorliegenden Ausführungsbeispiel weisen die Bereiche 74, 76, 78, 80 jeweils eine Breite B auf, die in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel gleich sind. Natürlich können die Breiten B der jeweiligen Bereiche 74, 76, 78, 80 zueinander verändert werden. Insbesondere können die Breiten B der beiden Eingangsbereiche 74, 78 und/oder die Breiten B der beiden Ausgangsbereiche 76, 80 zueinander unterschiedlich sein. Auch können in den Eingangsbereichen 74, 78 und den Ausgangsbereichen 76, 80 zusätzlich Stege beispielsweise zur Versteifung angeordnet sein.
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8 zeigt ein Schaltschema einer Ansteuerung der Axialkolbenmaschine 2 aus 4 mit zwei 3/2-Wege-Magnetventilen 82, 88. Dieses Schaltschema ist gleichermaßen gültig für einen Axialkolbenmotor und eine Axialkolbenpumpe in Schrägscheibenbauweise. In der hier dargestellten Ausführungsform wird die Axialkolbenmaschine 2 im Teillastbereich betrieben. Hierbei sind das erste Magnetventile 82 unbestromt und das zweite Magnetventil 88 bestromt dargestellt. Wenn die Axialkolbenmaschine 2 nicht betrieben wird, sind beide Magnetventile 82, 88 unbestromt und nehmen eine Schaltstellung ein wie das Magnetventil 82. Das erste Magnetventil 82 besteht aus einer ersten Ventilkammer 90 und einer dritten Ventilkammer 94. Das zweite Magnetventil 88 besteht aus einer zweiten Ventilkammer 92 und einer vierten Ventilkammer 96. Durch eine Bestromung einer mit dem Magnetventil 82, 88 verbundenen Spule 86 wird entgegen einer Federkraft einer Feder 84 das Magnetventil 82, 88 von einer ersten Schaltstellung, wie sie bei Magnetventil 82 dargestellt ist, bei dem eine dritte Ventilkammer 94 druckbeaufschlagt ist, in eine zweite Schaltstellung verlagert, wie sie bei Magnetventil 88 dargestellt ist, bei dem eine zweite Ventilkammer 92 druckbeaufschlagt ist. Wenn die Axialkolbenmaschine 2 in Betrieb ist, können entweder das erste Magnetventil 82 oder das zweite Magnetventil 88 oder auch beide bestromt sein. Wenn nun wie hier dargestellt das zweite Magnetventil 88 bestromt und das erste Magnetventil 82 unbestromt ist, wird mittels des zweiten Magnetventils 88 der zweite Hochdruck H2 aus dem zweiten Eingangsbereich 78 der Hochdruckseite H zugeführt. Der zweite Ausgangsbereich 80 der zweiten Niederdruckseite N2 ist mit einem gemeinsamen Niederdruck N verbunden.
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Die ersten Zylinder 16 werden in einem Kurzschlussbetrieb betrieben, indem das erste Magnetventil 82 die Hochdruckseite H1, also den ersten Eingangsbereich 74, mit dem Niederdruck N verbindet.
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Somit wird in dem soeben beschriebenen Ausführungsbeispiel lediglich mittels der zweiten Zylinder 38 Arbeit verrichtet. Hingegen wird in den ersten Zylindern 16 unter Vernachlässigung der Reibungswiderstände keine Arbeit verrichtet.
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Somit kann beispielsweise durch Betreiben der ersten Zylinder 16 im Kurzschlussbetrieb und Betreiben der zweiten Zylinder 38 zur Arbeitsverrichtung die Schrägscheibe 4 weiter ausgelenkt werden, um somit die Axialkolbenmaschine in einem Teillastbereich mit einem besseren Wirkungsgrad zu betreiben.
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9 zeigt eine Anordnung, bei der das erste 3/2-Wege-Magnetventil 82 und das zweite 3/2-Wege-Magnetventil 88 in dem Steuerelement 56 integriert sind. Hierdurch sind nur ein Hochdruck H – Anschluss und ein Niederdruck N – Anschluss erforderlich. 9 zeigt die bereits aus 4 bekannte Axialkolbenmaschine 2 in Schrägscheibenbauweise.
