-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine hydraulische Kolbenmaschine und eine hydraulische Maschine mit einer solchen Kolbenmaschine.
-
Stand der Technik
-
Bei einer herkömmlichen hydraulischen Kolbenmaschine, insbesondere vom Typ einer Axialkolbenmaschine, ist eine Mehrzahl von Kolben in entsprechenden Zylinderbohrungen einer Zylindertrommel, die drehbar in einem Gehäuse gelagert ist, längsverschieblich aufgenommen. Die Kolben begrenzen zusammen mit den zugehörigen Zylinderbohrungen jeweils einen Verdrängerraum. Die Kolben ragen mit einem Ende aus dem Verdrängerraum heraus und sind in der Regel über einen Gleitschuh flächig an einer Lauffläche einer Schrägscheibe als Führungsmittel abgestützt. Bei Drehung der Zylindertrommel in dem Gehäuse wird den Kolben mittels der Schrägscheibe eine translatorische Bewegung innerhalb der Zylinderbohrungen aufgezwungen, um einen Saughub bzw. Druckhub auszuführen. Für einen störungs- und geräuscharmen Betrieb einer solchen Axialkolbenpumpe ist es notwendig, ein Abheben der mit dem Kolben verbundenen Gleitschuhe von der Lauffläche der Schrägscheibe zu verhindern.
-
Aus
DE 10 2004 060 954 A1 ist der Einsatz einer Rückzugplatte für eine Axialkolbenpumpe bekannt, mittels der sichergestellt ist, dass die an dem Kolben angebrachten Gleitschuhe während eines Saughubs nicht von einer zugeordneten Schrägscheibe abheben. Anmelderseitig wurde festgestellt, dass bei einer Axialkolbeneinheit am inneren Totpunkt vergleichsweise hohe Kräfte auf die Rückzugplatte wirken. Dies kann durch eine ungleiche Kräftebilanz am Gleitschuh erklärt werden, welcher beim Übergang von der Hochdruckphase (Kompression des Verdrängerraums) zur Niederdruckphase (Expansion des Verdrängerraums) noch eine hohe Druckentlastung in der Lagertasche erfährt, jedoch von der Kolbenseite – insbesondere im offenen Kreis – durch den Saughub bereits auf Zug belastet wird. Obgleich durch die Rückzugplatte ein Abheben des Gleitschuhs von der Schrägscheibe verhindert werden kann, sind mit ihr beträchtliche Nachteile verbunden, insbesondere eine hohe Anzahl von Einzelteilen mit einer komplizierten Montage und hohe Kosten. Auch muss die Rückzugplatte eine ausreichende Festigkeit haben.
-
Für Axialkolbenmaschinen des oben beschriebenen Typs ist als Alternative zur Verwendung einer Rückzugplatte der Einsatz eines so genannten Federkolbentriebwerks möglich. Hierbei sind die Kolben durch eine Druckfeder in Richtung der Schrägscheibe vorgespannt, so dass die Gleitschuhe an die Lauffläche der Schrägscheibe gedrückt werden. Bei einem solchen Federkolbentriebwerk können jedoch ausgeprägte Stoßanregungen auftreten, die durch ein Abheben der Gleitschuhe von der Schrägscheibe verursacht werden. Anmelderseitig wurde erkannt, dass bei einem Federkolbentriebwerk solche Stoßanregungen insbesondere im Nullhub auftreten, da dort die Kinematik der Kolben eine Ebene beschreibt. Es hat sich gezeigt, dass bei einem Federkolbentriebwerk ohne Verwendung einer Rückzugplatte ein Abheben der Gleitschuhe an der Schrägscheibe nicht verhindert werden kann, so dass es zu erhöhten Geräuschpegeln infolge der genannten Stoßanregungen kommt. Besteht zudem eine Kolbendurchgangsbohrung zwischen Verdrängerraum und Lauffläche, besteht die Gefahr hoher Leckage beim Abheben der Gleitschuhe von der Schrägscheibe.
-
Im Allgemeinen ist der Einsatz einer hydraulischen Kolbenmaschine beispielsweise für einen hydrostatischen Fahrantrieb nach dem Prinzip ”offener Kreis” möglich, für den in 6 ein typischer Schaltplan dargestellt ist. Eine hydraulische Kolbenmaschine a ist über ein Differential b mit Rädern c eines (nicht gezeigten) Fahrzeugs verbunden. Ein Verbrennungsmotor d treibt eine verstellbare Hydropumpe e an, die aus einem Tank f ansaugt. Der Volumenstrom der Hydropumpe e wird durch eine Hochdruckleitung g zu einem Hochdruckanschluss der hydraulischen Kolbenmaschine a geleitet. Der Volumenstrom aus der hydraulischen Kolbenmaschine a wird bei dieser Anordnung von einem Niederdruckanschluss durch eine Niederdruckleitung h direkt in den Tank f zurückgeleitet. Falls das Fahrzeug abgebremst wird, so wird die hydraulische Kolbenmaschine a mittels ihres Verstellsystems in den Pumpen-Modus und die Hydropumpe e in den Motor-Modus geschwenkt. Dadurch wird die Strömungsrichtung in der Hochdruckleitung g umgekehrt, wobei der Hochdruck jedoch nach wie vor in der gleichen Hochdruckleitung anliegt. Des Weiteren ist durch ein Ventil i eine Hochdruck-Absicherung gewährleistet, wobei optional an die Hochdruckleitung g auch ein Speicher k angeschlossen sein kann, mit dem ein Rekuperieren von Bremsenergie möglich ist.
-
Wie erläutert, wird bei dem Fahrantrieb gemäß der 6, der als offener hydraulischer Kreis ausgeführt ist, der Bremsvorgang für das Fahrzeug dadurch durchgeführt, dass die hydraulischen Kolbenmaschine a mittels einer Hubverstellung aus dem Motor-Modus in den Pumpen-Modus verstellt wird. Dieser Vorgang ist auch als ”Durchschwenken” bekannt. In dieser Situation wechselt die Totpunktlage der hydraulischen Kolbenmaschine a. Die Arbeitskolben, die augenblicklich mit dem Niederdruckanschluss verbunden sind, führen nun eine Saugbewegung aus, während die Arbeitskolben, die augenblicklich mit dem Hochdruckanschluss verbunden sind, eine Förderbewegung ausführen. Die Befüllung der niederdruckseitigen Verdrängerräume muss deshalb durch den Niederdruckanschluss erfolgen. Bei dieser Konstellation kann das Problem auftreten, dass es bei der hydraulischen Kolbenmaschine a zu einer nicht vollständigen Befüllung der Verdrängerräume kommt, weil im offenen Kreis niederdruckseitig nur ein geringer Druck zum Befüllen der Verdrängerräume zur Verfügung steht. Infolgedessen kann Kavitation eintreten, mit den bekannten Nachteilen von erhöhten Geräuschen und erhöhtem Verschleiß.
-
Es ist daher wünschenswert, eine hydraulische Kolbenmaschine zu schaffen, die mit einem robusten und einfachen Aufbau ein optimiertes Geräuschverhalten aufweist und/oder bei der im Pumpen-Modus eine niederdruckseitige Befüllung der Verdrängerräume optimiert ist.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Erfindungsgemäß werden eine hydraulische Kolbenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine hydraulische Maschine mit einer solchen Kolbenmaschine vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
-
Vorteile der Erfindung
-
Der Erfindung liegt die wesentliche Erkenntnis zugrunde, dass durch eine Fluidverbindung des hydrostatischen Lagers zwischen Kolben und Führungsmittel mit einer in der Lauffläche mündenden Ausnehmung in dem Führungsmittel während eines jeweiligen Saughubs des Kolbens eine Angleichung des Drucks in dem hydrostatischen Lager beim Übergang von Hochdruck zum Niederdruck ohne wesentliche Verzögerung möglich ist, da die Ausnehmung ein Niederdruckvolumen beinhaltet. Das hydrostatische Lager weist nach Beginn der Niederdruckphase durch die direkte Fluidverbindung mit der Ausnehmung an das verminderte Druckniveau innerhalb des Verdrängerraums angeglichen werden. Anders ausgedrückt, wird der Druckangleich vom Verdrängerraum und hydrostatischen Lager durch die direkte Fluidverbindung des hydrostatischen Lagers mit dem Niederdruckvolumen der Ausnehmung synchronisiert, wobei ein verzögerter Druckangleich, der ansonsten durch eine Drosselverbindung in Form der Kolbendurchgangsbohrung auftreten kann, vermieden wird. Im Ergebnis herrscht im hydrostatischen Lager nach dem Übergang vom Druckhub (Hochdruckphase) zum Saughub (Niederdruckphase) nach Erreichen der Ausnehmung schon ein geringerer Fluiddruck als noch im Verdrängerraum, so dass ein Abheben des Kolbens von der Lauffläche vermieden wird, so dass der Kolben eine stetige Bewegung über die Lauffläche erfährt und damit akustisch wahrnehmbare Stöße oder dergleichen verhindert werden.
-
Der Querschnittsverlauf der Ausnehmung entlang der Bewegungsrichtung des Kolbens (d. h. Querschnitt steht senkrecht auf der Bewegungsrichtung, Verlauf entlang der Bewegungsrichtung) kann gezielt zur Beeinflussung des Öffnungsverhaltens genutzt werden. Zweckmäßigerweise wird der Querschnittsverlauf stetig oder stetig differenzierbar (d. h. ohne Knickstellen im Verlauf) oder gestuft ausgebildet und kann durch vorgelagerte z. B. Schlitz/Trapezkerben bzw. Bohrungen/Taschen weiter ausgestaltet werden. Damit wird eine: Drosselwirkung erreicht und die Strömungsgeschwindigkeit begrenzt, die Abbaugeschwindigkeit des Druckfeldes in der Lagertasche und im Verdrängerraum verstetigt und Kavitation vermieden.
-
Die Ausnehmung steht vorzugsweise mit einem Niederdruckanschluss und/oder einem Gehäuseleckölanschluss der Kolbenmaschine in Fluidverbindung. Die Ausnehmung stellt beispielsweise eine Fluidverbindung mit dem Gehäuseinnenraum her, welcher mit dem Niederdruckanschluss und/oder dem Gehäuseleckölanschluss in Fluidverbindung steht.
-
Ein weiterer vorteilhafter Aspekt der Erfindung besteht darin, dass die Befüllung des Verdrängerraums während eines Saughubs des Kolbens verbessert ist, weil die Befüllung nicht nur über eine Niederdruckniere einer Verteilerplatte, sondern zusätzlich von Seiten des hydrostatischen Lagers durch die zusätzliche Fluidverbindung mit der Ausnehmung erfolgt. Es wird ein zusätzlicher Strömungsquerschnitt zum Befüllen des Verdrängerraums geöffnet, so dass auch eine vollständige niederdruckseitige Befüllung des Verdrängerraums im Pumpen-Modus sichergestellt ist. Hierdurch ist das Prinzip einer selbstsaugenden Kolbenpumpe realisiert. Dies ist für eine Kolbenmaschine von Vorteil, wenn sie an einen offenen Kreis angeschlossen ist und im Pumpen-Modus betrieben wird. Dies wirkt sich beispielsweise bei einem hydrostatischen Fahrantrieb beim Abbremsen eines Fahrzeugs positiv aus.
-
Die Befüllung des Verdrängerraums kann bei Drehung der Zylindertrommel innerhalb des Gehäuses über eine Steuereinrichtung in Form einer Verteilerplatte erfolgen, die eine Niederdruckniere und eine Hochdruckniere aufweist. Diese Verteilerplatte ist vorzugsweise an einer Seite des Kolbens angeordnet, die den Führungsmitteln entgegengesetzt ist. Für diesen Fall kann – wie erläutert – die Befüllung des Verdrängerraums während eines Saughubs des Kolbens nicht nur über die Niederdruckniere der Verteilerplatte, sondern zusätzlich über das hydrostatische Lager erfolgen. Nach einem alternativen Ausführungsbeispiel kann auf die Befüllung des Verdrängerraums vom Niederdruckanschluss durch die Niederdruckniere in der Verteilerplatte verzichtet werden, wenn die Befüllung des Verdrängerraums von dieser Seite ebenfalls direkt aus dem Gehäuseinnenraum der Kolbenmaschine erfolgt, der in Fluidverbindung mit dem Niederdruckanschluss steht. Für dieses Ausführungsbeispiel werden nur noch ein Niederdruckanschluss direkt an dem Gehäuse der Kolbenmaschine und entsprechende Öffnungen beiderseits des Verdrängerraums während der Befüllung zum Gehäuse benötigt. Für diesen Fall versteht sich, dass der Verdrängerraum bei Drehung der Zylindertrommel weiterhin über die Hochdruckniere der Verteilerplatte periodisch mit dem Hochdruckanschluss der Kolbenmaschine verbunden wird.
-
Die Lauffläche des Führungsmittels weist hintereinander zwei Segmente auf, ein Niederdrucksegment in Zuordnung zum Saughub des Kolbens und ein Hochdrucksegment in Zuordnung zum Druckhub des Kolbens. Die Ausnehmung mündet in die Lauffläche im Niederdrucksegment. Vorzugsweise mündet die Ausnehmung in die Lauffläche in der Nähe des Übergangs von dem Hochdrucksegment zum Niederdrucksegment (”innerer Totpunkt”, d. h. an dem Ende, an dem sich der Kolben zu Beginn des Saughubs befindet), so dass beim Wechsel vom Druckhub zum Saughub in dem hydrostatischen Lager, wie erläutert, ein Druckabbau bzw. ein Druckangleich stattfinden kann. Hierdurch kann wirksam ein Abheben des Kolbens von der Lauffläche vermieden werden.
-
Bevorzugterweise beinhaltet die Ausnehmung mehrere Teilausnehmungen, deren Mündungen in die Lauffläche nicht zusammenhängen, die jedoch eine Fluidverbindung haben können, bspw. über Führungsmitteldurchgangsbohrungen und/oder über Kanäle innerhalb des Führungsmittels.
-
Vorteilhafterweise beinhaltet die Ausnehmung eine kleine Öffnung, z. B. eine Bohrung, in der Lauffläche in der Nähe des inneren Totpunkts, mit einem größeren, dahinterliegenden Volumen, z. B. einer Art Blase oder Kammer. Von dem Volumen kann optional wiederum eine Führungsmitteldurchgangsbohrung ausgehen.
-
In einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet die Ausnehmung ein Sackloch in der Lauffläche.
-
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann die Ausnehmung eine entlang der Lauffläche gekrümmt verlaufende (z. B. nierenförmige, d. h. teilkreisförmig mit im Wesentlichen gleichbleibender Breite, oder bananenförmige (d. h. teilkreisförmig, mit variierender Breite) Vertiefung beinhalten, die von dem Kolben bzw. einem daran angebrachten Gleitschuh zumindest zeitweise während des Saughubs überstrichen wird. Die gekrümmte Vertiefung erfüllt dabei den Zweck, dass während des Saughubs des Kolbens Arbeitsfluid in den Verdrängerraum hinein nachgesaugt wird, nämlich von dem Niederdruckanschluss über die Ausnehmung in dem Führungsmittel und die Kolbendurchgangsbohrung. Zweckmäßigerweise erstreckt sich die gekrümmte Vertiefung im Wesentlichen entlang des gesamten Niederdrucksegments der Lauffläche, so dass das genannte Nachsaugen des Arbeitsfluids während des gesamten Saughubs des Kolbens gewährleistet ist. Hat die gekrümmte Vertiefung eine variierende Breite, ist diese vorzugsweise in der Mitte am größten, da hier die größte Kolbengeschwindigkeit auftritt. Eine variierende Breite ermöglicht auch eine Abdeckung der unterschiedlichen Bewegungsbahnen der Kolben bzw. Gleitschuhe bei unterschiedlichen Schwenkwinkeln (Vollhub/Nullhub).
-
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann die Ausnehmung wenigstens zwei Vertiefungen oder Vertiefungsabschnitte mit unterschiedlicher Breite aufweisen. Ist eine Vertiefung mit geringerer Breite in der Nähe der Übergangs von dem Hochdrucksegment zum Niederdrucksegment angeordnet, wird eine Drosselwirkung erzielt und eine Angleichung des Druckniveaus in dem hydrostatischen Lager beim Wechsel vom Druckhub zum Saughub weiter verbessert. Die Vertiefung mit geringerer Breite geht vorzugsweise kann in eine angrenzende gekrümmte Vertiefung mit größerer Breite über bzw. ist mit dieser zusammenhängend ausgebildet, so dass ein stetes Nachsaugen des Arbeitsfluids ohne Druckschwankungen gewährleistet ist.
-
Die Ausnehmung kann vorzugsweise mit einer Führungsmitteldurchgangsbohrung durch das Führungsmittel in Fluidverbindung stehen, wobei die Führungsmitteldurchgangsbohrung das Führungsmittel durchsetzt und an einer anderen Stelle als der Lauffläche mündet, insbesondere an einer Rückseite. So kann der Druckausgleich auch von der anderen Stelle aus erfolgen.
-
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann das hydrostatische Lager zumindest zeitweise während eines jeweiligen Druckhubs des Kolbens, insbesondere zu Beginn dieses Zeitintervalls, in Fluidverbindung mit dem Hochdruckanschluss gebracht werden. Hierdurch ist ein unterstützender Druckaufbau in dem hydrostatischen Lager möglich. In einem entsprechenden Ausführungsbeispiel kann in der Lauffläche der Führungsmittel in der Nähe des Übergangs von dem Niederdrucksegment zum Hochdrucksegment, d. h. in der Nähe des äußeren Totpunkts, ein Anschluss vorgesehen sein, durch den das hydrostatische Lager in Fluidverbindung mit dem Hochdruckanschluss gebracht wird. Beispielsweise kann ein solcher Anschluss in den Führungsmitteln als weitere Durchgangsbohrung ausgebildet sein, die in Fluidverbindung mit dem Hochdruckanschluss steht.
-
Bei der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine kann es sich um eine Axialkolbenmaschine oder um eine Radialkolbenmaschine handeln. Des Weiteren ist die Erfindung auch bei einer Hydromaschine mit Doppelkugel-Triebwerk oder Floating-Cup-Triebwerk einsetzbar.
-
Prinzipiell ist es auch möglich, die Erfindung bei einer hydraulischen Kolbenmaschine mit Rückzugplatte einzusetzen. Durch den erläuterten Druckangleich in dem hydrostatischen Lager vermindert sich vorteilhaft die Beanspruchung einer solchen Rückzugplatte, um das Abheben eines Kolbens bzw. eines damit verbundenen Gleitschuhs von der Lauffläche der Schrägscheibe zu verhindern.
-
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
-
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
-
Figurenbeschreibung
-
1 zeigt einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Kolbenmaschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
-
2 eine Seitenansicht von Führungsmitteln in Form einer Schrägscheibe der Kolbenmaschine von 1,
-
3 eine perspektivische Ansicht einer alternativen Schrägscheibe,
-
4a einen Längsschnitt entlang bzw. eine Abwicklung einer gekrümmten Vertiefung, die in einer Lauffläche der Schrägscheibe von 3 ausgebildet ist,
-
4b einen Längsschnitt entlang bzw. eine Abwicklung einer alternativen gekrümmten Vertiefung, die in einer Lauffläche einer Schrägscheibe ausgebildet ist,
-
4c einen Längsschnitt entlang bzw. eine Abwicklung einer alternativen Vertiefung, die in einer Lauffläche einer Schrägscheibe ausgebildet ist,
-
5 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Kolbenmaschine gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, und
-
6 einen Schaltplan für einen hydrostatischen Fahrantrieb nach dem Prinzip ”offener Kreis”, bei dem eine erfindungsgemäße Kolbenmaschine vorzugsweise einsetzbar ist.
-
Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
-
In den 1 bis 4 sind eine erfindungsgemäße Kolbenmaschine und Einzelheiten davon gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung dargestellt.
-
1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Kolbenmaschine 1 vom Typ einer Axialkolbenmaschine mit verstellbarer Schrägscheibe. Im Einzelnen umfasst die Kolbenmaschine 1 ein Triebwerk 2, das in einem Gehäuse 3 angeordnet ist. Das Triebwerk 2 umfasst als wesentliche Bauteile eine drehbar gelagerte Triebwelle 4 mit einer drehfest verbundenen Zylindertrommel 5. Die Zylindertrommel 5 weist auf einem Kreis angeordnete, axial verlaufende Zylinderbohrungen 6 auf, in denen jeweils ein Kolben 7 längsverschieblich aufgenommen ist. Die Kolben 7 begrenzen mit einer zugehörigen Zylinderbohrung 6 jeweils einen Verdrängerraum 8.
-
Die Kolben 7 ragen mit einem Ende aus dem Verdrängerraum 8 heraus und stützen sich an einer Lauffläche 9 eines Führungsmittels in Form einer Schrägscheibe 10 ab. Zur Verdeutlichung ist der untere Bereich der Schrägscheibe in 1 in einem strichpunktierten Kreis vergrößert gezeigt. Zur Abstützung an der Lauffläche 9 der Schrägscheibe 10 sind die Kolben 7 an ihren vorderen Enden über ein Gelenk 14, hier ein Kugellager, jeweils mit Gleitschuhen 15 versehen, die an der Lauffläche 9 mit einem Dichtsteg flächig anliegen, wobei zwischen den Gleitschuhen 15 und der Lauffläche 9 eine Gleitfläche 12 gebildet wird. Die Kolben 7 weisen jeweils eine Kolbendurchgangsbohrung 7a auf, die in den Verdrängerraum 8 mündet. Angrenzend an die Kolbendurchgangsbohrung 7a ist in den Gleitschuhen 15 jeweils ein Verbindungskanal 15a ausgebildet. Der Verbindungskanal 15a innerhalb eines Gleitschuhs 15 mündet einerseits in der Gleitfläche 12, die in Kontakt mit der Lauffläche 9 ist, und steht andererseits in Fluidverbindung mit der Kolbendurchgangsbohrung 7a, die den Kolben 7 vollständig der Länge nach durchsetzt und in den Verdrängerraum 8 mündet. Entsprechend wird eine Fluidverbindung zwischen dem Verdrängerraum 8 und einer Stirnseite des Gleitschuhs 15 an der Gleitfläche 12 mit der Lauffläche 9 gebildet. Im Ergebnis wird an der Gleitfläche 12 ein hydrostatisches Lager gebildet, das den Gleitschuh 15 beim Gleiten entlang der Lauffläche 9 entlastet.
-
Die Verdrängerräume 8 sind an einer der Schrägscheibe 10 entgegengesetzten Seite über eine Steuereinrichtung in Form einer Verteilerplatte 16 mit einem Hochdruckanschluss und einem Niederdruckanschluss verbindbar. Hierzu weist die Verteilerplatte 16 in bekannter Weise eine (nicht gezeigte) Hochdruckniere und eine Niederdruckniere auf.
-
Zum Einsetzen des Triebwerks 2 in das Gehäuse 3 ist das Gehäuse 3 an einem Ende offen, in 1 rechts gezeigt. Das offene Ende wird nach der Montage des Triebwerks 1 in dem Gehäuse 2 durch eine Anschlussplatte 3a verschlossen. An der Anschlussplatte 3a sind in symbolisch vereinfacht dargestellter Weise die Leitungsanschlüsse für den Niederdruckanschluss ND und den Hochdruckanschluss HD vorgesehen, die zu der Verteilerplatte 16 führen. Zusätzlich ist ein Innenraum 13 des Gehäuses 3 an den Niederdruckanschluss ND angeschlossen und entsprechend mit Niederdruck-Arbeitsfluid gefüllt. Somit wird die Schrägscheibe 10 von Arbeitsfluid mit Niederdruck umspült.
-
Die Schrägscheibe 10 wird von der Triebwelle 4 durchsetzt, rotiert selbst jedoch nicht. Bei einer Drehung der Triebwelle 4 dreht sich aufgrund der drehfesten Verbindung auch die Zylindertrommel 5 mitsamt den Kolben 7. Die Schrägscheibe 10 kann bezüglich einer Längsachse der Triebwelle 4 durch eine Verstelleinrichtung 18 verschwenkt werden, wobei die Verstelleinrichtung 18 in dem Gehäuse 3 angeordnet und mit einem Aktuator 19 über ein Gelenk 20 gelenkig mit der Schrägscheibe 10 verbunden ist. Durch ein Verschwenken der Schrägscheibe 10 kann die Kolbenmaschine 1 u. a. zwischen einem Motor-Modus und einem Pumpen-Modus verstellt werden. Falls die Schrägscheibe 10 relativ zur Zylindertrommel 5 in eine Schrägstellung verschwenkt ist, führen die Kolben innerhalb der Zylinderbohrungen 6 Linearbewegungen und somit Hubbewegungen aus. Bei einer vollständigen Drehung der Zylindertrommel 5 durchläuft jeder Kolben 7 einen Saug- und einen Druckhub, wobei entsprechende Ölströme erzeugt werden, deren Zu- und Abführung über nicht dargestellte Mündungskanäle, die Verteilerplatte 16 und weitere nicht dargestellte Druck- und Saugkanäle erfolgen.
-
Im Innern eines jeden Kolbens 7 befindet sich jeweils eine Schraubendruckfeder 17, die sich mit einem Ende gegen die Zylindertrommel 5 und mit dem anderen Ende gegen die Kolben 7 abstützt. Durch die Spannkraft der Schraubendruckfeder 17 werden die Zylindertrommel 5 gegen die Verteilerplatte 16 und die Kolben 7 über die Gleitschuhe 15 an die Lauffläche 9 der Schrägscheibe 10 gedrückt. Durch die Vorspannung der Schraubendruckfedern 17 ist sichergestellt, dass die Gleitschuhe 15 auch während eines Saughubs der Kolben 7 im Wesentlichen in Kontaktanlage mit der Lauffläche 9 der Schrägscheibe 10 bleiben und nicht signifikant abheben.
-
Nachfolgend werden weitere Einzelheiten des Ausführungsbeispiels von 1 erläutert, mit denen ein gleichmäßiges Anliegen der Gleitschuhe 15 an der Lauffläche 9 und auch eine optimale Befüllung des Verdrängerraums 8 während eines Saughubs eines Kolbens 7 gewährleistet ist.
-
Die Schrägscheibe 10 ist in 2 in einer Seitenansicht gezeigt, wenn sie von der Kolbenmaschine 1 demontiert ist. Die Seitenansicht gemäß 2 verdeutlicht, dass in der Schrägscheibe 10 ist eine Ausnehmung 11, im einfachsten Fall eine Zylinderbohrung oder ein Langloch, ausgebildet, die in die Lauffläche 9 mündet. Die Ausnehmung 11 geht im gezeigten Beispiel über in eine Führungsmitteldurchgangsbohrung 10a, die die Schrägscheibe 10 vollständig durchsetzt. Somit besteht eine Verbindung zwischen der Lauffläche 9 auf der einen Seite der Schrägscheibe 10 und der entgegengesetzten Seite der Schrägscheibe 10. Wie vorstehend erläutert, wird die Schrägscheibe 10 innerhalb des Gehäuses 3 von Arbeitsfluid mit Niederdruck umspült. Entsprechend ist durch die Führungsmitteldurchgangsbohrung 10a eine Verbindung der Lauffläche 9 und somit des hydrostatischen Lagers mit dem Niederdruckanschluss ND möglich. Die Führungsmitteldurchgangsbohrung 10a ist optional, wenn die Ausnehmung groß genug ist, dass eine Fluidverbindung der Lauffläche 9 mit dem Gehäuseinnenraum 13 auch auf der kolbenzugewandten Seite der Schrägscheibe 10 hergestellt ist. Andererseits kann die Ausnehmung auch nur aus der Führungsmitteldurchgangsbohrung 10a bestehen.
-
Die Perspektivansicht einer alternativen Schrägscheibe gemäß 3 verdeutlicht weitere Einzelheiten einer bevorzugten Ausgestaltung der Lauffläche 9. Die Lauffläche 9 weist hier zwei Segmente hintereinander auf, nämlich ein Niederdrucksegment 21, das einem jeweiligen Saughub eines Kolbens 7 zugeordnet ist, und ein Hochdrucksegment 22, das einem jeweiligen Druckhub eines Kolbens 7 zugeordnet ist. Die Rotationsrichtung der Kolben 7 bzw. der Gleitschuhe 15 entlang der Lauffläche 9 ist in der 3 durch einen Pfeil A kenntlich gemacht.
-
In dem Niederdrucksegment 21 der Lauffläche 9 ist eine gekrümmte Vertiefung 23 ausgebildet, die Teil der Ausnehmung 11 ist. Die gekrümmte Vertiefung 23 ist so geformt, dass sie nie vollständig vom Gleitschuh abgedeckt ist, so dass immer eine Fluidverbindung zwischen der gekrümmten Vertiefung 23 und dem Gehäuseinnenraum 13 auf der kolbenzugewandten Seite der Schrägscheibe 10 besteht. Zur Verbesserung des Druckausgleichs können jedoch wiederum eine oder mehrere Führungsmitteldurchgangsbohrungen 10a (wie in 2) mit der gekrümmten Vertiefung 23 in Fluidverbindung stehen.
-
Zur weiteren Verdeutlichung der Verbindung von Führungsmitteldurchgangsbohrungen 10a mit der gekrümmten Vertiefung 23 ist in den 4a und 4b ein Schnitt entlang einer (gekrümmten) Mittelachse der Vertiefung 23 dargestellt. Die 4a und 4b zeigen, dass das Niederdrucksegment 21 der Lauffläche 9 eine Verbindung zur Führungsmitteldurchgangsbohrung 10a und somit auch hier zum Niederdruckanschluss ND hat. Die Ausnehmung 11 kann vorzugsweise, wie dargestellt, vor der gekrümmten Vertiefung 23 eine Kerbe 24 als weitere Vertiefung mit geringerer Breite in der Nähe des inneren Totpunkts aufweisen. Die Ausnehmung 11 kann vorzugsweise auch, wie in 4b dargestellt, am Beginn der Kerbe 24 als weitere Vertiefung 26 ein Sackloch aufweisen. In weiterer alternativer Ausgestaltung gemäß 4a können unterhalb der gekrümmten Vertiefung 23 innerhalb der Schrägscheibe Bohrungen 10b ausgebildet sein, die seitlich von der Führungsmitteldurchgangsbohrung 10a abzweigen und jeweils in die gekrümmte Vertiefung 23 münden. Durch die Bohrungen 10b wird ein gleichmäßiges Nachsaugen von Arbeitsfluid die gesamte Länge der Niere 23 bzw. des Niederdrucksegments 21 verbessert. Wie in 4b dargestellt, kann ein gleichmäßiges Nachsaugen auch über einen variierenden Querschnitt der Vertiefung, hier durch eine variierende Tiefe, ermöglicht werden.
-
Die gestrichelten Linien in den 4a und 4b, die senkrecht auf die Lauffläche 9 gerichtet sind, verdeutlichen einen jeweiligen Übergang zwischen dem Niederdrucksegment 21 und dem Hochdrucksegment 22. Es ist erkennbar, dass sich die gekrümmte Vertiefung 23 und die Kerbe 24 im Wesentlichen über den gesamten Bereich des Niederdrucksegments 21 erstreckt.
-
In 4c ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, bei der eine Bohrung 26 als Ausnehmung in die Lauffläche 9 am Anfang des Niederdrucksegments 21 mündet. Der Bohrung schließt sich ein größeres Volumen in Form einer Kammer oder Blase und optional eine Führungsmitteldurchgangsbohrung 10a an. In dem Niederdrucksegment 21 kann neben einer solchen Ausnehmung gemäß 4c zusätzlich auch eine gekrümmte Ausnehmung vorgesehen sein.
-
Die exakte Positionierung der Kerbe 24 bzw. eines vorderen Rands der gekrümmten Vertiefung 23 bzw. einer Bohrung 26 in dem Niederdrucksegment 21 der Lauffläche 9, aus Richtung des Pfeils A und des Hochdrucksegments 22 gesehen, wird vorzugsweise in Abstimmung mit der Umsteuerung (d. h. Wechsel von Hochdruck zu Niederdruck) auf der Verteilerplatte 16 gewählt. Hierdurch wird beeinflusst, zu welchem Zeitpunkt der Bewegung des Gleitschuhs 15 über das Niederdrucksegment 21 der Lauffläche 9 die Fluidverbindung des hydrostatischen Lagers mit der Ausnehmung (mit geringerem Druck!) einsetzt. Die Positionierung erfolgt so, dass der Fluiddruck im hydrostatischen Lager bereits reduziert wird, bevor der Fluiddruck im Verdrängerraum abnimmt.
-
Die Ausnehmung 11 (als Oberbegriff für die Elemente 11, 10a, 23, 24 und 26), durch die eine Fluidverbindung zwischen der Lauffläche 9 und einem Niederdruckbereich möglich ist, führt zu folgenden Wirkungen, die für die Erfindung vorteilhaft sind:
Während ein Gleitschuh 15 über das Hochdrucksegment 22 der Lauffläche 9 gleitet, stellt sich in dem hydrostatischen Lager, das an der Gleitfläche 12 zwischen Lauffläche 9 und dem Gleitschuh 15 gebildet wird, ein entsprechend hoher Druck ein. Sobald nun der Gleitschuh 15 weiter in Richtung des Pfeils A dreht und von dem Hochdrucksegment 22 auf das Niederdrucksegment 21 gelangt, findet beim Überstreichen der Ausnehmung 11 und der daraus resultierenden Fluidverbindung mit dem Niederdruckanschluss ND ein Druckangleich in dem hydrostatischen Lager statt, nämlich eine Druckverminderung bzw. -anpassung an den Niederdruck, der nach vollständigem Erreichen des Saughubs eines Kolbens 7 in einem jeweiligen Verdrängerraum 8 herrscht. Hierdurch wird die Kraftbilanz zwischen dem Verdrängerraum 8 und dem hydrostatischen Lager in Richtung des Lagers verschoben. Dadurch wird ein Abheben des Gleitschuhs 15 von der Lauffläche 9 verhindert, so dass akustisch wahrnehmbare Stöße vermieden werden.
-
Eine weitere vorteilhafte Wirkung in Verbindung mit der Ausnehmung in der Lauffläche 9 besteht darin, dass beim Überstreichen des Gleitschuhs 15, d. h. während eines Saughubs eines Kolbens 7, Arbeitsfluid in den Verdrängerraum 8 nachgesaugt wird. In dieser Weise wird das Befüllen des Verdrängerraums 8 nicht nur von Seiten der Verteilerplatte 16, sondern auch von Seiten der Schrägscheibe 10 gewährleistet und insoweit optimiert. Im Zusammenhang mit dem Nachsaugen ist wichtig, dass der Drosselquerschnitt, d. h. der Querschnitt der Verbindung der Ausnehmung 11 mit dem Niederdruckanschluss (z. B. die Führungsmitteldurchgangsbohrung 10a) zusammen mit der verteilerplattenseitigen Fluidzufuhr in den Verdrängerraum ausreichend groß bemessen ist, so dass auch von Seiten der Schrägscheibe eine Befüllung des Verdrängerraums 8 gewährleistet ist.
-
5 zeigt einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Kolbenmaschine 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, bei dem es sich um ein so genanntes Doppelkugel-Triebwerk handelt. Gleiche Merkmale wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel sind für das zweite Ausführungsbeispiel mit gleichen Bezugszeichen versehen. In gleicher Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel ist die Schrägscheibe 10 des Doppelkugel-Triebwerks von 5 mit einer Ausnehmung 11 vorzugsweise mit Führungsmitteldurchgangsbohrung 10a versehen. Im Ergebnis kann das hydrostatische Lager an der Gleitfläche zwischen den Gleitschuhen 15 und der Lauffläche 9 der Schrägscheibe 10 im Zeitintervall eines jeweiligen Saughubs der Kolben 7 in Fluidverbindung mit dem Niederdruckanschluss gebracht werden. Für die detaillierte Funktionsweise des resultierenden Druckangleichs in dem hydrostatischen Lager und das Nachsaugen des Arbeitsfluids während des Saughubs wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die Erläuterung des ersten Ausführungsbeispiels gemäß 1 verwiesen. Insbesondere das Nachsaugen des Arbeitsfluids während des Saughubs ist für das Doppelkugel-Triebwerk gemäß 5 von großem Vorteil, weil die Kugeln 25, die auf der der Schrägscheiben-abgewandten Seite der Kolben 7 vorgesehen sind, nur einen geringen Saugquerschnitt im Vergleich zu herkömmlichen Kolbenmaschinen erlauben.
-
Beiden Ausführungsbeispielen gemäß 1 bzw. 5 ist gemeinsam, dass zusätzlich zu dem Druckangleich in dem hydrostatischen Lager, wodurch ein Abheben der Kolben bzw. der Gleitschuhe verhindert wird, auch ein Durchschwenken der Schrägscheibe zum Einstellen des Pumpen-Modus möglich ist, wenn die Kolbenmaschine an einen offenen Kreis angeschlossen ist. Insoweit eignet sich die erfindungsgemäße Kolbenmaschine 1 zur Verwendung bei einem Fahrantrieb, dessen Schaltplan in 6 dargestellt und einleitend bereits erläutert worden ist. Entsprechend ist in dem Schaltplan von 6 neben dem Bezugszeichen ”a” auch die Bezugsziffer ”1” eingetragen, wenn die darin verwendete hydraulische Kolbenmaschine der erfindungsgemäßen hydraulischen Kolbenmaschine gemäß 1 bzw. 5 entspricht.
-
Die Erfindung eignet sich für eine Verwendung im offenen Kreis, um das Abheben der Gleitschuhe von der Schrägscheibe und damit verbundene Stoßeffekte zu vermeiden. Durch das erläuterte Nachsaugen von Arbeitsfluid während eines Saughubs der Kolben 7 hinein in den Verdrängerraum 8 erfüllt die Erfindung die Konstruktion einer selbstsaugenden Kolbenpumpe. Die Erfindung ist zusätzlich zu den erläuterten Ausführungsbeispielen prinzipiell auch auf andere hydrostatische Verdrängerprinzipien bzw. Lagertaschen übertragbar.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102004060954 A1 [0003]
