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Die Erfindung betrifft eine hydrostatische Taumelscheibenmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Eine Anpassung mechanischer Ausgangsgrößen einer hydrostatischen Axialkolbenmaschine in Taumelscheibenbauweise, im Folgenden Taumelscheibenmaschine genannt, ist notwendig, um an die Taumelscheibenmaschine gekoppelte Maschinen in verschiedenen Betriebspunkten effizient betreiben zu können. Mechanische Ausgangsgrößen, die dabei angepasst werden müssen, sind beispielsweise im Motorbetrieb ein Abtriebsmoment oder im Pumpenbetrieb ein Druckmittelvolumenstrom. In vielen Anwendungen tritt dabei ein Volllastbetrieb, in der die maximale oder Nennleistung der Ausgangsgröße gefordert ist, nur relativselten auf. Viel häufiger hingegen tritt der sogenannte Teillastbetrieb auf.
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Bei herkömmlichen Taumelscheibenmaschinen, bei denen der Teillastbetrieb durch eine Verringerung des geometrischen Hubvolumens aller Arbeitsräume eingestellt wird, sinkt der volumetrische Wirkungsgrad der Maschine mit verringertem geometrischen Hubvolumen, da ein innerer Leckagestrom der Maschine im Wesentlichen unabhängig vom eingestellten geometrischen Hubvolumen ist. Daher vergrößert sich ein Verhältnis der Leckageleistung zur abgegebenen Leistung (Druckmittelvolumenstrom oder Abtriebsleistung) mit dem kleiner werdenden geometrischen Hubvolumen. Für Anlagen, die beispielsweise aus Umweltschutzgründen mit niedrigviskosen Flüssigkeiten wie Wasser betrieben werden müssen, sinkt der volumetrische Wirkungsgrad aufgrund der durch die geringe Viskosität verursachten größeren Leckageströme zusätzlich ab. Mit steigendem Betriebsdruck nimmt auch die Leckage zu, die an den häufig zur Abstützung der Kolben eingesetzten Gleitschuhen auftritt, und die bei einem verringerten Kolbenhub einen höheren Anteil des Gesamtvolumenstroms einnimmt, so dass der volumetrische Wirkungsgrad weiter absinkt.
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Generell sprechen die geringe Anzahl rotierender Teile, die einfache Konstruktion und die entfallende Fliehkraftbelastung der Kolben in vielen Anwendungsfällen für den Einsatz von Taumelscheibenmaschinen anstelle von Schrägscheiben- oder Schrägachsenmaschinen. Die Taumelscheibenmaschinen sind dabei jedoch sehr häufig als Konstanteinheiten ausgeführt, da ein konstruktiver Aufwand für eine verstellbare Ausführung, bei der ein geometrisches Hubvolumen über eine Verstellung oder Verschwenkung der Taumelscheibe änderbar ist, einen hohen konstruktiven Aufwand mit sich bringt.
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Bei den herkömmlichen Kolbenmaschinen mit rotierender An- beziehungsweise Abtriebswelle müssen die Arbeitsräume während jeder Umdrehung nacheinander mit dem Hoch und dem Niederdruckanschluss verbunden werden. Die Umsteuerung zwischen den beiden Druckniveaus wird üblicherweise durch einen rotierenden oder gehäusefesten Steuerspiegel realisiert. Als problematisch erweist sich insbesondere ein Motorbetrieb der Taumelscheibenmaschine bei hohem Druck, da für die Umsteuerung benötigte rotierende Komponenten, wie der Steuerspiegel, eine Steuerscheibe oder ein Steuerzapfen notwendig sind. Dabei begrenzen Leckagespalte an beiden Seiten der Steuerscheibe, zwischen den Kolben und Zylinderbohrungen, sowie zwischen den Gleitschuhen der Kolben und der Taumelscheibe, einen Betriebsdruck auf etwa 100 bar. Generell gilt, dass beim Einsatz niedrigviskoser Flüssigkeiten als Druckmittel allgemein eine höhere Leckage auftritt, so dass insbesondere beim Betrieb herkömmlicher Taumelscheibenmaschinen mit Wasser als Druckmittel ein schlechter volumetrischer Wirkungsgrad erzielt wird.
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Um das Problem des verminderten volumetrischen Wirkungsgrades bei Teillast beziehungsweise das Problem der Leckageverluste am Steuerspiegel zu lösen, kennt der Stand der Technik Taumelscheibenmaschinen, bei denen eine Verstellbarkeit durch ein Zu- oder Wegschalten einzelner Arbeitsräume realisierbar ist. Eine auf diesem als digitale Verstellung bekannten Prinzip basierende Taumelscheibenmaschine wird in der Patentschrift
EP 0494236 B1 beschrieben. Diese Taumelscheibenmaschine benötigt pro Arbeitsraum zwei Ventile, die zum Zu- oder Wegschalten des jeweiligen Kolbens sowie zur Umsteuerung zwischen Hoch- und Niederdruck benötigt werden. Das eigentliche geometrische Hubvolumen des Kolbens wird dabei nicht variiert. Wie weiter oben bereits diskutiert, kann über das Prinzip des Zu- und Wegschaltens einzelner Arbeitsräume für den Teillastbetrieb ein erhöhter volumetrischer Wirkungsgrad erzielt werden.
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Nachteilig an dieser Lösung ist jedoch, dass auf diesem Prinzip der digitalen Verstellung basierende Taumelscheibenmaschinen entweder eine sehr hohe Anzahl häufig schaltender Ventile oder ebenso viele Leckagespalte wie herkömmlich umgesteuerte Maschinen aufweisen. So weisen bekannte Einheiten mit digitaler Verstellung pro Kolben zwei Schaltventile auf, die aufgrund der nötigen Umsteuerung zwischen Hoch- und Niederdruck bei jeder Umdrehung jeweils einen Schaltzyklus absolvieren müssen. Dies führt für eine hohe Drehzahl zu einer hohen Belastung der Ventile und erfordert zudem Schaltventile mit sehr kurzen Schaltzeiten.
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Des Weiteren ist nachteilig, dass bei herkömmlichen Taumelscheibenmaschinen hohe, aus der Abstützung der Kolben an der Taumelscheibe resultierende, Axialkräfte über die Triebwelle ins Gehäuse der Taumelscheibenmaschine eingeleitet werden müssen. Das bedeutet, dass ein hoher vorrichtungstechnischer Aufwand für eine axiale Lagerung der Triebwelle betrieben werden muss.
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Weiterhin nachteilig an der in der
EP 0494236 B1 beschriebenen Lösung ist, dass sich die darin gezeigte Lösung einer Doppel- beziehungsweise Tandemmaschine lediglich als ein in der Anwendung wenig flexibles hydrostatisches Getriebe betreiben lässt.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Taumelscheibenmaschine zu schaffen, die flexibler in ihrer Anwendung ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine hydrostatische Taumelscheibenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der hydrostatischen Taumelscheibenmaschine sind in den Patentansprüchen 2 bis 15 beschrieben.
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Eine hydrostatische Taumelscheibenmaschine hat eine erste und eine zweite Gruppe von Zylinderkolbeneinheiten. Beide Gruppen weisen eine Mehrzahl von gehäusefest angeordneten Zylindern auf, in denen jeweils ein Kolben axial verschieblich angeordnet ist. Über die Zylinder und die darin angeordneten Kolben sind Arbeitsräume begrenzt, die mit einem Hochdruck oder mit einem Niederdruck in Druckmittelverbindung bringbar sind. Dabei sind die Kolben der ersten Gruppe an einem ersten Taumelscheibenflächenabschnitt und die Kolben der zweiten Gruppe an einem zweiten Taumelscheibenflächenabschnitt abgestützt. Erfindungsgemäß sind die beiden Taumelscheibenflächenabschnitte miteinander drehfest verbunden.
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Über die drehfeste Verbindung sind die Kolben der beiden Gruppen von Zylinderkolbeneinheiten miteinander mechanisch gekoppelt, so dass die Taumelscheibenmaschine flexibel als hydrostatisches Getriebe oder als hydrostatischer Motor oder als hydrostatische Pumpe betrieben werden kann. Auf diese Weise ist eine Taumelscheibenmaschine in Doppelmaschinen- oder Tandembauweise vorrichtungstechnisch einfach realisiert. Die beiden Taumelscheibenflächen können zueinander beliebig im Raum angeordnet sein, da ihre drehfeste Verbindung nicht auf eine starre Verbindung beschränkt ist. Die flexible räumliche Anordnung der beiden Gruppen relativ zueinander schafft eine hydrostatische Taumelscheibenmaschine, über die ein zur Verfügung stehender Bauraum optimal ausnutzbar ist.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der hydrostatischen Taumelscheibenmaschine ist zumindest ein Kolben der ersten Gruppe im Wesentlichen einem Kolben der zweiten Gruppe gegenüber, insbesondere etwa koaxial zu diesen, angeordnet. Je mehr die Längsachsen der sich jeweils gegenüber angeordneten Kolben dabei fluchten, umso besser können entgegengerichtete Axialkräfte der Kolben kompensiert werden, so dass eine vorrichtungstechnisch weniger aufwändige Lagerung der Taumelscheibenflächenabschnitte notwendig ist. Bevorzugt ist eine Phasenverschiebung in der Anordnung der Zylinderkolbeneinheiten der ersten Gruppe zu denjenigen der zweiten Gruppe vorgesehen, um eine Pulsation der Taumelscheibenmaschine zu minimieren.
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Die drehfeste Verbindung der beiden Taumelscheibenflächenabschnitte erfolgt bevorzugt über eine Welle. Diese Verbindung ist vorrichtungstechnisch besonders einfach. Um eine Baulänge der Taumelscheibenmaschine zu verkürzen, können die Taumelscheibenflächenabschnitte alternativ dazu beispielsweise über ein Getriebe oder über ein Gelenk, insbesondere ein Kardangelenk verbunden sein. Dies ermöglicht einen räumlichen Versatz oder eine räumliche Anstellung der beiden Gruppen zueinander, wobei ein Vorteil einer Axialkraftkompensation dann am größten ist, wenn die Gruppen von Zylinderkolbeneinheiten zueinander im Wesentlichen koaxial angeordnet sind.
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In einer vorrichtungstechnisch besonders einfachen Weiterbildung der Erfindung sind die beiden Taumelscheibenflächenabschnitte beidseitig einer Taumelscheibe, insbesondere anderen, Stirnseiten, angeordnet, so dass der erste Taumelscheibenflächenabschnitt an einer ersten Seite oder Stirnseite und der zweite Taumelscheibenflächenabschnitt an einer zweiten Seite oder Stirnseite der Taumelscheibe angeordnet ist. In diesem Fall ist die Axialkraftkompensation besonders gut. Alternativ dazu sind die beiden Taumelscheibenflächenabschnitte gemeinsam an einer Seite einer Taumelscheibe angeordnet, so dass die beiden Gruppen von Zylinder-Kolben-Einheiten ebenfalls gemeinsam auf dieser Seite angeordnet sind und sich eine besonders kompakt oder klein bauende Taumelscheibenmaschine ergibt. In diesem alternativen Fall sind beide Gruppen von Zylinder-Kolben-Einheiten bevorzugt auf Teilkreisen unterschiedlichen Durchmessers angeordnet. Der Teilkreis der zweiten Gruppe ist bevorzugt größer als derjenige der ersten Gruppe, oder umgekehrt.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind zumindest mehrere der Arbeitsräume der ersten Gruppe jeweils über zumindest eine Arbeitsleitung, beziehungsweise zumindest einen Druckmittelkanal oder Druckmittelströmungspfad, an jeweils eine zugeordnete Ventilanordnung angeschlossen. Über ihre Ventilanordnung sind die Arbeitsräume jeweils mit dem Hochdruck oder mit dem Niederdruck in Druckmittelverbindung bringbar. Auf diese Weise kann eine Umsteuerung der Arbeitsräume vom Hoch- zum Niederdruck, beziehungsweise umgekehrt, über die Ventilanordnungen „digital” erfolgen. Gegenüber einer herkömmlichen Umsteuerung durch eine mit dem Taumelscheibenflächenabschnitt rotierenden Steuerscheibe ergibt sich der Vorteil einer verringerten Leckage. Die digitale, ventilgesteuerte Umsteuerung bringt zudem die Möglichkeit mit sich, einen Teillastbetrieb über eine Deaktivierung eines oder mehrerer Arbeitsräume beziehungsweise über dessen oder deren Trennung vom Hochdruck zu ermöglichen. Die Deaktivierung erfolgt dabei mittels der zugeordneten Ventilanordnung durch eine Trennung des Arbeitsraums vom Hochdruck. Um den Kolben des Arbeitsraums im Leerlauf mitlaufen lassen zu können, wird der Arbeitsraum zudem bevorzugt mit dem Niederdruck verbunden. Gegenüber Taumelscheibenmaschinen, bei denen der Teillastbetrieb über eine Verschwenkung oder Verkippung des Taumelscheibenflächenabschnitts erfolgt, ist die erfindungsgemäße Lösung der Ventilanordnungen vorrichtungstechnisch und steuerungstechnisch vereinfacht. Ein großer Vorteil dieser Weiterbildung ist, dass trotz eines Teillastbetriebs das Schluck-beziehungsweise Fördervolumen der aktiven Zylinderkolbeneinheiten unverändert maximal sein ist. Dies bringt für diese Zylinderkolbeneinheiten den maximalen volumetrischen Wirkungsgrad und für die hydrostatische Taumelscheibenmaschine im Teillastbetrieb einen gegenüber herkömmlichen Taumelscheibenmaschinen höheren volumetrischen Wirkungsgrad mit sich.
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In einer besonders bevorzugten und vorteilhaften Variante der Erfindung ist die Taumelscheibe von einem Druckmittelströmungspfad durchsetzt, über den in einem bestimmungsgemäßen Betrieb der Taumelscheibenmaschine ein Arbeitsraum der ersten Gruppe von Zylinderkolbeneinheiten mit einem Arbeitsraum der zweiten Gruppe von Zylinderkolbeneinheiten zumindest zeitweise in Druckmittelverbindung bringbar ist. Auf diese Weise kann einerseits die Umsteuerung und andererseits die Druckmittelversorgung des Arbeitsraums der ersten Gruppe und des Arbeitsraums der zweiten Gruppe über nur eine Ventilanordnung und Arbeitsleitung des Arbeitsraums der ersten Gruppe erfolgen und auf eine allein dem Arbeitsraum der zweiten Gruppe zugeordnete Ventilanordnung kann verzichtet werden.
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In einer bevorzugten Weiterbildung ist zumindest einer der Kolben der ersten und/oder zweiten Gruppe, besonders bevorzugt jedoch alle Kolben der Gruppen, über einen Gleitschuh an seinem jeweiligen Taumelscheibenflächenabschnitt abgestützt. Dabei sind der Kolben, der Gleitschuh und die Taumelscheibe jeweils von zumindest einer Durchgangsausnehmung derart durchsetzt, dass im bestimmungsgemäßen Betrieb über die Durchgangsausnehmungen der Druckmittelströmungspfad zumindest zeitweise ausbildbar ist.
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Alternativ dazu kann jeder der Kolben unmittelbar, also ohne Gleitschuh, an dem Taumelscheibenflächenabschnitt abgestützt sein. Dann ist im bestimmungsgemäßen Betrieb der Druckmittelströmungspfad über die Durchgangsausnehmungen des beziehungsweise der Kolben und der Taumelscheibe zumindest zeitweise ausbildbar.
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Die Durchgangsausnehmung des Kolbens ist bevorzugt eine im Wesentlichen koaxiale Kolbenbohrung, die des Gleitschuhs ist bevorzugt eine im Wesentlichen koaxiale Entlastungsbohrung. Die Durchgangsausnehmung der Taumelscheibe ist bevorzugt ein sich insbesondere vom ersten Taumelscheibenflächenabschnitt hin zum zweiten Taumelscheibenflächenabschnitt erstreckender Durchgangskanal.
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Für den Fall, dass die beiden Taumelscheibenflächenabschnitte beiderseits der Taumelscheibe angeordnet sind, ist der Durchgangskanal insbesondere zur Verringerung von Strömungsverlusten bevorzugt eine Durchgangsbohrung. Bevorzugt ist der Durchgangskanal etwa koaxial zu einer Mittelachse zumindest eines der Zylinder angeordnet. Alternativ zur koaxialen Anordnung kann der Durchgangskanal zur Mittelachse des Zylinders angestellt sein. In diesem Fall kann er insbesondere etwa normal zum ersten und/oder zweiten Taumelscheibenflächenabschnitt angeordnet sein.
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In dem Fall, in dem beide Taumelscheibenflächenabschnitte auf einer gemeinsamen Seite der Taumelscheibe angeordnet sind, erstrecken sich zwei Endabschnitte der Durchgangsausnehmung beziehungsweise des Durchgangskanals der Taumelscheibe jeweils etwa normal zu einem der Taumelscheibenflächenabschnitte in die Taumelscheibe hinein. Die Endabschnitte sind dabei über einen, etwa in einer Ebene der Taumelscheibe verlaufenden, Verbindungsabschnitt des Durchgangskanals miteinander verbunden. Der Verbindungsabschnitt weist dabei im Falle unterschiedlicher Teilkreise bevorzugt eine radiale Richtungskomponente auf.
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Über die vorbeschriebenen Durchgangsausnehmungen ergibt sich folgender Druckmittelströmungspfad: Druckmittel strömt über die Ventilanordnung und die Arbeitsleitung in den Arbeitsraum einer Zylinderkolbeneinheit der ersten Gruppe ein, um im Folgenden durch die Durchgangsausnehmung des zugehörigen Kolbens hindurch in die Durchgangsausnehmung seines Gleitschuhs und durch diese in die Durchgangsausnehmung der Taumelscheibe einzutreten. Nach Austritt aus der Taumelscheibe durchströmt das Druckmittel dann die Durchgangsausnehmung des Gleitschuhs und die anschließende Durchgangsausnehmung des Kolbens der. zweiten Gruppe, um in den zugehörigen Arbeitsraum einzutreten.
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In einer besonders bevorzugten und vorteilhaften Weiterbildung der Variante, die die vom Druckmittelströmungspfad durchsetzte Taumelscheibe aufweist, ist im zweiten Taumelscheibenflächenabschnitt ein sich insbesondere im Wesentlichen entlang einem Teilkreisabschnitt der zweiten Gruppe oder parallel zu diesem erstreckender Nutabschnitt ausgebildet. Über diesen und zumindest die Durchgangsausnehmung eines Kolbens der zweiten Gruppe ist ein dem Kolben zugeordneter Arbeitsraum mit einem Gehäuseinnenraum der Taumelscheibenmaschine in Druckmittelverbindung bringbar. Der Nutabschnitt kann im zweiten Taumelscheibenflächenabschnitt alternativ beispielsweise als Querbohrung ausgebildet sein. Auf diese Weise ist der Arbeitsraum des Kolbens der zweiten Gruppe vorrichtungstechnisch besonders einfach mit einem Niederdruckraum verbindbar. Solange die Durchgangsausnehmung des Gleitschuhs, beziehungsweise des Kolbens, falls dieser ohne Gleitschuh abgestützt sein sollte, während der Drehung des Taumelscheibenflächenabschnitts zumindest abschnittsweise über dem Nutabschnitt angeordnet ist, steht der dem Kolben zugeordnete Arbeitsraum der zweiten Gruppe mit dem Gehäuseinnenraum in Druckmittelverbindung. So kann vom Kolben der zweiten Gruppe Druckmittel in den Gehäuseinnenraum ausgeschoben oder aus dem Gehäuseinnenraum angesaugt werden. Das Ausschieben oder Ansaugen erfolgt dabei nur dann, wenn der Kolben der zweiten Gruppe einen von der Abstützung am Taumelscheibenflächenabschnitt verursachten Hub ausführt. Ein weiterer Vorteil dieser Weiterbildung ist, dass insbesondere im Motorbetrieb eine Druckmittelabfuhr hin zum Niederdruck über den Nutabschnitt und den Gehäuseinnenraum völlig ohne eine Umsteuerung über die den Arbeitsräumen der ersten Gruppe jeweils zugeordneten Ventilanordnungen erfolgen kann. Die Umsteuerfunktion erfüllt allein die Taumelscheibe, indem über ihre Durchgangsausnehmung Druckmittel vom Arbeitsraum der ersten Gruppe in den Arbeitsraum der zweiten Gruppe strömen kann und indem über ihren Nutabschnitt zumindest im Motorbetrieb Druckmittel aus dem Arbeitsraum der zweiten Gruppe in den Gehäuseinnenraum abführbar ist.
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Bevorzugt sind eine Mündung der zumindest einen Durchgangsausnehmung der Taumelscheibe und der Nutabschnitt im Wesentlichen entlang eines gemeinsamen Teilkreises angeordnet.
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Bevorzugt ist im Motorbetrieb ein Volllastbetrieb dadurch sichergestellt, dass die Arbeitsräume der ersten Gruppe über die entsprechende Schaltstellung der zugeordneten Ventilanordnungen ununterbrochen mit dem Hochdruck verbunden sind. Für einen Teillastbetrieb können Arbeitsräume der ersten Gruppe in gewünschter Anzahl über die Ventilanordnungen vom Hochdruck getrennt und stattdessen mit dem Niederdruck verbunden werden. Die vom Hochdruck getrennten Arbeitsräume können dann im „Leerlauf” mitlaufen, wobei auch die ihnen zugeordneten Arbeitsräume der zweiten Gruppe über die Durchgangsausnehmung der Taumelscheibe mit dem Niederdruck verbunden sind und kraftlos mitlaufen können.
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Die Durchgangsausnehmungen der Taumelscheibe und der Gleitschuhe, insbesondere deren einander zugewandten Mündungen, sind bevorzugt derart geometrisch aufeinander abgestimmt, dass die Durchgangsausnehmungen der Gleitschuhe, und damit deren zugeordnete Arbeitsräume, in einem bestimmungsgemäßen Betrieb zumindest zeitweise über die zumindest eine Durchgangsausnehmung der Taumelscheibe in Druckmittelverbindung stehen. Bevorzugt ist die geometrische Abstimmung derart, dass die Druckmittelverbindung zwischen den zugeordneten Arbeitsräumen nur dann unterbrochen ist, wenn einer der Arbeitsräume mit dem Gehäuseinnenraum verbunden ist. In einer bevorzugten Weiterbildung ist die geometrische Abstimmung derart, dass die Durchgangsausnehmungen der Gleitschuhe zumindest zeitweise über mehr als nur eine Durchgangsausnehmung der Taumelscheibe, beispielsweise über zwei, drei oder vier, in Druckmittelverbindung stehen. Auf diese Weise ist es möglich, eine Pulsation der Taumelscheibenmaschine zu verringern.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Durchgangsausnehmungen der Taumelscheibe und der Gleitschuhe derart geometrisch aufeinander abgestimmt sind, dass im bestimmungsgemäßen Betrieb jede der Durchgangsausnehmungen der Taumelscheibe alternierend entweder nur mit dem Gehäuseinnenraum oder nur mit einander zugeordneten Arbeitsräumen der ersten und zweiten Gruppe in Druckmittelverbindung steht. Insbesondere für den Fall unterschiedlicher Gleitschuhgrößen der ersten und zweiten Gruppe und/oder um einen Einfluss des Anstellwinkels der Taumelscheibe zu kompensieren, sind die Durchgangsausnehmungen der Taumelscheibe und die Gleitschuhe bevorzugt derart geometrisch aufeinander abgestimmt, dass wenn im bestimmungsgemäßen Betrieb nur eine Mündung der Durchgangsausnehmung der Taumelscheibe hin zum Gehäuseinnenraum oder hin zu einem der Arbeitsräume geöffnet ist, die jeweils andere Mündung dann von einem Dichtrand eines der Gleitschuhe abgedeckt ist. Durch jede der geometrischen Abstimmungen ist verhindert, dass ein Arbeitsraum, der gerade mit Druckmittel hohen Druckes befüllt ist, unmittelbar mit dem Gehäuseinnenraum verbunden beziehungsweise zum Niederdruck kurzgeschlossen wird.
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Ebenso ist bevorzugt, wenn ein Abstand zwischen dem Nutabschnitt und der zu ihm benachbart angeordneten Durchgangsausnehmung der Taumelscheibe derart auf die Durchgangsausnehmung des Gleitschuhs abgestimmt ist, dass der dem Gleitschuh zugeordnete Arbeitsraum entweder mit dem Nutabschnitt oder mit der benachbart angeordneten Durchgangsausnehmung der Taumelscheibe aber nie gleichzeitig mit beiden in Druckmittelverbindung steht. Dadurch wird verhindert, dass der Hochdruck mit dem Niederdruck, insbesondere dem Gehäuseinnenraum, über die Durchgangsausnehmung des Gleitschuhs kurzgeschlossen werden kann. Die geometrische Ausgestaltung beziehungsweise Abstimmung erfolgt bevorzugt über die geeignete Anordnung und/oder Durchmessergestaltung der Durchgangsausnehmungen. Ein Durchmesser einer zum Taumelscheibenflächenabschnitt weisenden Mündung der Durchgangsausnehmung des Gleitschuhs ist bevorzugt kleiner als ein Abstand zwischen dem Nutabschnitt und der zu diesem benachbart angeordneten Durchgangsausnehmung der Taumelscheibe.
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Für den Fall, dass die geometrische Abstimmung derart ist, dass die Durchgangsausnehmungen der Gleitschuhe, und damit deren zugeordnete Arbeitsräume, in einem bestimmungsgemäßen Betrieb über nur eine Durchgangsausnehmung der Taumelscheibe zumindest zeitweise in Druckmittelverbindung stehen, ist ein Durchmesser einer zum Taumelscheibenflächenabschnitt weisenden Mündung der Durchgangsausnehmung des Gleitschuhs bevorzugt kleiner als ein Abstand zwischen zwei benachbarten Durchgangsausnehmungen der Taumelscheibe.
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In einer bevorzugten Weiterbildung ist der Gehäuseinnenraum über eine Niederdruckverbindung, insbesondere über eine Niederdruckleitung oder einen Niederdruckkanal, mit dem Niederdruck in Druckmittelverbindung bringbar.
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Für einen Motorbetrieb ist die Ventilanordnung vorrichtungstechnisch besonders einfach ausgebildet, wenn sie ein 2/2-Wegeventil aufweist, über das der jeweilige Arbeitsraum mit dem Hochdruck in Druckmittelverbindung bringbar ist. Zur Verbindung des jeweiligen Arbeitsraumes mit dem Niederdruck weist die jeweilige Ventilanordnung für den Motorbetrieb zudem bevorzugt ein Rückschlagventil auf. Bevorzugt ist dabei das 2/2-Wegeventil derart ausgestaltet, dass es eine Trennstellung hat, über die der Arbeitsraum vom Hochdruckanschluss trennbar ist. Weiterhin ist das Rückschlagventil bevorzugt derart ausgestaltet, dass es in Schließstellung mit dem Hochdruck beaufschlagbar ist, und so der Arbeitsraum vom Niederdruck trennbar ist. Bevorzugt ist das 2/2-Wegeventil in seine Öffnungsstellung federvorgespannt und elektromagnetisch betätigbar.
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Für einen Pumpenbetrieb ist die Ventilanordnung vorrichtungstechnisch besonders einfach ausgebildet, wenn sie ein 2/2-Wegeventil aufweist, über das der jeweilige Arbeitsraum mit dem Niederdruck in Druckmittelverbindung bringbar ist. Zur Verbindung des jeweiligen Arbeitsraumes mit dem Hochdruck weist die jeweilige Ventilanordnung für den Pumpenbetrieb zudem bevorzugt ein Rückschlagventil auf. Bevorzugt ist dabei das 2/2-Wegeventil derart ausgestaltet, dass es eine Trennstellung hat, über die der Arbeitsraum vom Niederdruckanschluss trennbar ist. Weiterhin ist das Rückschlagventil bevorzugt derart ausgestaltet, dass es in Schließstellung mit dem Hochdruck beaufschlagbar ist, und so der Arbeitsraum vom Hochdruck trennbar ist. Bevorzugt ist das 2/2-Wegeventil in seine Trennstellung federvorgespannt und elektromagnetisch betätigbar.
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Insbesondere für diejenige Variante, bei der zumindest einer der Arbeitsräume der zweiten Gruppe über den die Taumelscheibe durchsetzenden Druckmittelströmungspfad mit Druckmittel versorgbar ist, wird es bevorzugt, wenn eine Kolbenfläche eines Kolbens der zweiten Gruppe größer ist als eine Kolbenfläche eines Kolbens der ersten Gruppe, oder umgekehrt. Bevorzugt weist das Kolbenflächenverhältnis einen Wert zwischen 1,5 und 3 auf. Besonders bevorzugt ist es etwa 2. Die Kolben einer jeweiligen Gruppe sind bevorzugt im Wesentlichen auf einem gemeinsamen Teilkreis angeordnet. Diese Teilkreise sind bevorzugt konzentrisch zueinander angeordnet und weisen bevorzugt einen ähnlichen oder etwa gleichen Durchmesser auf.
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Eine Variante der Erfindung weist eine Taumelscheibe auf, die nicht von einem Druckmitteströmungspfad durchsetzt ist. Stattdessen sind auch die Arbeitsräume der zweiten Gruppe zu ihrer Druckmittelversorgung bevorzugt jeweils über zumindest eine Arbeitsleitung an jeweils eine Ventilanordnung angeschlossen und über diese mit dem Hochdruck oder mit dem Niederdruck in Druckmittelverbindung bringbar. Die Umsteuerung erfolgt somit über die Ventilanordnungen. Die jeweilige Ventilanordnung kann dabei wie vorbeschrieben ausgebildet sein. Bevorzugt sind bei dieser Variante die Gruppen von Zylinderkolbeneinheiten etwa koaxial zueinander und beidseitig der Taumelscheibe angeordnet, so dass sich der vorbeschriebene Vorteil der Axialkraftkompensation ergibt.
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Unabhängig von den beiden genannten Varianten kann die jeweilige Ventilanordnung zwei 2/2-Wegeventile aufweisen. Dabei ist der jeweilige Arbeitsraum über ein erstes der beiden 2/2-Wegeventile mit dem Hochdruck in Druckmittelverbindung und über ein zweites der beiden 2/2-Wegeventile mit dem Niederdruck in Druckmittelverbindung bringbar. Bevorzugt ist dabei das erste 2/2-Wegeventil derart ausgestaltet, dass über seine Trennstellung der Arbeitsraum vom Hochdruck trennbar ist. Analog dazu ist das zweite 2/2-Wegeventil bevorzugt derart ausgestaltet, dass über dessen Trennstellung der Arbeitsraum vom Niederdruck trennbar ist.
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Ebenso kann die jeweilige Ventilanordnung ein 3/2-Wegeventil aufweisen, über das der jeweilige Arbeitsraum mit dem Hochdruck oder mit dem Niederdruck in Druckmittelverbindung bringbar ist.
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Bevorzugt weisen die beiden Gruppen eine gleiche Anzahl von Zylinderkolbeneinheiten auf, beispielsweise drei, vier, fünf, sechs oder sieben. Auch mehr Zylinderkolbeneinheiten sind vorstellbar. Bevorzugt sind die Zylinder einer jeweiligen Gruppe etwa auf einem gemeinsamen Teilkreis angeordnet.
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Als Druckmittel erweist sich insbesondere für diejenige Variante, bei der ein Arbeitsraum der zweiten Gruppe über eine Durchgangsausnehmung in der Taumelscheibe mit Druckmittel versorgt wird, ein niedrigviskoses Fluid als vorteilhaft. Besonders geeignet sind Wasser oder Meerwasser. Zum Einen wird durch die geringere Viskosität ein Druckverlust entlang der Durchgangsausnehmung(en) gering gehalten, zum Anderen eignet sich die mit Wasser betriebene Taumelscheibenmaschine besonders für einen Einsatz unter sensiblen Umweltbedingungen, wie beispielsweise in Wellenenergiekonvertern oder Windkraftanlagen.
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Im Folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen hydrostatischen Taumelscheibenmaschine anhand von vier Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen
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1 ein Ausführungsbeispiel eines hydrostatischen Taumelscheibenmotors in einem schematischen Längsschnitt,
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2 das Ausführungsbeispiel gemäß 1 in einer vergrößerten Teilansicht,
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3 eine Taumelscheibe des Ausführungsbeispiels gemäß den 1 und 2 in einer seitlichen Ansicht und
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4 eine Ventilanordnung eines Ausführungsbeispiels einer hydrostatischen Taumelscheibenpumpe in einer schematischen Ansicht.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer als Taumelscheibenmotor ausgebildeten hydrostatischen Taumelscheibenmaschine 1 mit einem Gehäuse 2, in dem eine erste 4 und eine zweite Gruppe 6 von Zylinderkolbeneinheiten gehäusefest angeordnet sind. Jede der Gruppen 4, 6 weist dabei eine Vielzahl von in einer jeweiligen Zylindertrommel 8, 10 ausgebildeten Zylindern 12a, 12b und 14a, 14b auf, von denen jeweils nur zwei sichtbar sind. In den Zylindern 12a, 12b der ersten Gruppe 4 und in den Zylindern 14a, 14b der zweiten Gruppe 6 sind jeweils Kolben 16a, 16b beziehungsweise 18a, 18b verschieblich angeordnet. Über die Zylinder 12a, 12b und die Kolben 16a, 16b der ersten Gruppe 4 sind Arbeitsräume 20a und 20b begrenzt. Ähnlich verhält es sich mit der zweiten Gruppe 6, deren Arbeitsräume 22a und 22b über die Kolben 18a, 18b und die Zylinder 14a, 14b begrenzt sind.
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Die Kolben 16a, 16b der ersten Gruppe 4 sind über Gleitschuhe 24a, 24b an einem ersten Taumelscheibenflächenabschnitt 26 abgestützt. Die Kolben 18a, 18b der zweiten Gruppe 6 sind wiederum an einem dem ersten Taumelscheibenflächenabschnitt 26 gegenüber angeordneten zweiten Taumelscheibenflächenabschnitt 28 über Gleitschuhe 30a, 30b abgestützt. Beide Taumelscheibenflächenabschnitte 26, 28 sind beidseitig einer Taumelscheibe 32 der Taumelscheibenmaschine 1 angeordnet. Die Taumelscheibe 32 ist drehfest mit einer Welle 34 verbunden und mit einem konstanten Winkel gegen diese angestellt. Die beiden Zylindertrommeln 8, 10 sind jeweils von der Welle 34 mittig durchgriffen, wobei Endabschnitte 36, 38 der Welle 34 über Lager 40, 42 am Gehäuse 2 gelagert sind. Abweichend davon kann die Lagerstelle des Lagers 40, 42 an anderer Stelle, insbesondere in der Zylindertrommel 8, 10, angeordnet sein.
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Für eine Druckmittelversorgung des Taumelscheibenmotors 1 weist dieser einen Hochdruckanschluss P und einen Tankanschluss T auf. Jeder der Arbeitsräume 20a, 20b ist dabei über eine ihm zugeordnete Arbeitsleitung 44a, 44b mit dem Hochdruckanschluss P oder mit dem Tankanschluss verbindbar. Am Beispiel des in 1 oben links angeordneten Arbeitsraumes 20a sei diese Verbindung näher erläutert.
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Zur Druckmittelversorgung des Arbeitsraums 20a ist diesem eine Ventilanordnung 46a zugeordnet, die in 1 gestrichelt umrandet dargestellt ist. Die Ventilanordnung 46a umfasst ein elektromagnetisch betätigbares 2/2-Wegeventil 48a, mit einer federvorgespannten Öffnungsstellung, über die der Hochdruckanschluss P mit der Arbeitsleitung 44a und dadurch mit dem Arbeitsraum 20a verbindbar ist. Die Arbeitsleitung 44a ist weiterhin über ein federvorgespanntes Rückschlagventil 50a, das in Schließrichtung mit dem Druck in der Arbeitsleitung 44a oder mit dem Hochdruck P beaufschlagt ist, mit dem Tankanschluss T verbindbar. Eine Ventilanordnung 46b, über die der Arbeitsraum 20b mit Druckmittel versorgbar ist, ist gleich der Ventilanordnung 46a ausgestaltet. Sie weist die gleichen Komponenten mit analogen Bezugszeichen auf. Anstatt dem Index a wurde den Komponenten jedoch der Index b zugewiesen.
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Anders als die Arbeitsräume 20a, 20b weisen die Arbeitsräume 22a, 22b keine derartige eigenständige Druckmittelversorgung auf. Stattdessen werden sie über die vorbeschriebenen Ventilanordnungen 46a, 46b der ersten Gruppe 4 und über Durchgangsausnehmungen, die die Kolben 16a, 16b, 18a, 18b, die Gleitschuhe 24a, 24b, 30a, 30b und die Taumelscheibe 32 durchsetzen, mit Druckmittel versorgt.
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Zur Verdeutlichung dieser Druckmittelversorgung und zur Darstellung des Voll- und Teillastbetriebs zeigt 2 den Taumelscheibenmotor 1 gemäß 1 in einer leicht vergrößerten Teilansicht. Die in der gehäusefesten Zylindertrommel 8 angeordneten Kolben 16a, 16b sind über die 2/2-Wegeventile 48a, 48b, die als Schaltventile ausgebildet sind, aufgrund deren federvorgespannter Öffnungsstellung mit dem Hochdruckanschluss P verbunden. Dadurch werden die Kolben 16a, 16b gegen den ersten Taumelscheibenflächenabschnitt 26 der rotierenden Taumelscheibe 32 gedrückt. Beide Kolben 16a, 16b erzeugen dadurch ein Moment auf die Abtriebswelle 34. Aufgrund der Schrägstellung der Taumelscheibe 32 und der etwa symmetrischen Anordnung der Kolben 16a, 16b weisen die beiden Momente unterschiedliche Drehrichtungen mit Bezug zur Drehachse der Welle 34 auf. Jeder der Kolben 16a, 16b, 18a, 18b weist eine Durchgangsausnehmung 52a, 52b, 54a, 54b auf. Diese durchsetzen die entsprechenden Kolben von ihren Arbeitsräumen 20a, 20b, 22a, 22b hin zu den Gleitschuhen 24a, 24b, 30a, 30b. Auch diese weisen jeweils eine Durchgangsausnehmung 56a, 56b, 58a, 58b auf, die jeweils in eine taumelscheibenseitige Entlastungsausnehmung mündet.
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Zum in 2 dargestellten Betriebszeitpunkt des Taumelscheibenmotors 1 stehen von den gezeigten Arbeitsräumen 20a, 22a, 20b, 22b lediglich die beiden in 2 unten angeordneten Arbeitsräume 20b, 22b über eine Durchgangsausnehmung 60 der Taumelscheibe 32 in Druckmittelverbindung. Der Arbeitsraum 22b ist somit über die Durchgangsausnehmungen 52b, 56b, 60, 58b und 54b mit dem Arbeitsraum 20b und schließlich über die Arbeitsleitung 44b und das 2/2-Wegeventil 48b mit dem Hochdruckanschluss P verbunden. Betrachtet man den relativ langen und schmalen Druckmittelströmungspfad, der über die Durchgangsausnehmungen 52b, 56b, 60, 58b, 54b ausgebildet ist, so wird offensichtlich, dass der Einsatz niedrig viskoser Medien für eine Minimierung des Strömungsdruckverlustes von Vorteil ist. Aus diesem Grunde wird der vorliegende Taumelscheibenmotor 1 mit Wasser als Druckmittel betrieben.
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Im Gegensatz zum vorbeschriebenen Arbeitsraumpaar 20b, 22b stehen die Arbeitsräume 20a und 22a nicht miteinander in Druckmittelverbindung. Dies rührt daher, dass die Taumelscheibe 32 in diesem Bereich zu diesem Betriebszeitpunkt keine Durchgangsausnehmung 60 aufweist. Stattdessen ist in den zweiten Taumelscheibenflächenabschnitt 28 ein Nutabschnitt 62 eingebracht, der sich etwa entlang einem Teilkreis erstreckt, auf dem auch die Durchgangsausnehmungen 60 angeordnet sind.
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Zur Veranschaulichung des Aufbaus der Taumelscheibe 32 zeigt 3 diese in einer Seitenansicht, wie sie sich aus der Position der Taumelscheibe 32 gemäß den 1 oder 2 zu dem darin gezeigten Betriebszeitpunkt ergibt. In 3 ist die Schnittführung A-A eingezeichnet, die zu den Darstellungen der 1 und 2 führt. Gemäß dem vorbeschriebenen Betriebszeitpunkt steht der Kolben 18a gemäß 3 etwa über einem oberen Endabschnitt des Nutabschnitts 62, so dass der Arbeitsraum 22a über die Durchgangsausnehmungen 54a und 58a mit dem Nutabschnitt 62 in Druckmittelverbindung steht (siehe 2). Da der Nutabschnitt 62 verglichen mit der Entlastungsausnehmung des Gleitschuhes 30a des Kolbens 18a sehr lang ist, steht auf diese Weise der Arbeitsraum 22a mit einem Gehäuseinnenraum 64 gemäß 2 in Druckmittelverbindung. Der Gehäuseinnenraum 64 ist wiederum über einen Druckmittelausgang 66 des Gehäuses 2 mit dem Tank T verbunden. Gemäß 3 weist ein Abstand zwischen dem Nutabschnitt 62 und der benachbarten Durchgangsausnehmung 60 einen Betrag d und ein Abstand zwischen den jeweiligen Durchgangsausnehmungen 60 einen Betrag s auf. Zur Vereinfachung sind diese Abstände nur im Bereich der Endabschnitte des Nutabschnitts 62 mit Bezugszeichen und Maßlinien versehen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weisen alle Durchgangsausnehmungen 60 zueinander den gleichen Abstand s auf. Der Betrag d ist dabei zumindest etwas größer als ein Durchmesser der die Durchgangsausnehmungen 60 überstreichenden Entlastungsausnehmung der Gleitschuhe 30a, 30b gemäß 2. Auf diese Weise ist im gezeigten Ausführungsbeispiel sichergestellt, dass kein Kurzschluss zwischen dem Hochdruckanschluss P und dem im Gehäuseinnenraum 64 wirkenden Niederdruck über die Entlastungsausnehmung des Gleitschuhs 30a, 30b ermöglicht wird.
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Ein Arbeitszyklus des Kolbenpaares 16a, 18a und deren Schaltventil 48a im Motorbetrieb beginnt damit, dass der Kolben 16a in seinen Zylinder 12a maximal eingefahren ist und der Kolben 18a entsprechend maximal ausgefahren ist. Das Schaltventil 48a befindet sich in seiner federvorgespannten Durchflussstellung. Die durch die Arbeitsleistung der mit dem Hochdruck verbundenen Kolben der beiden Gruppen 4 und 6 verursachte Drehung der Taumelscheibe bewirkt das Ausfahren des Kolbens 16a, wodurch über das Rückschlagventil 50a Druckmittel in den Arbeitsraum 20a angesaugt wird. Zeitgleich wird das Einfahren des Kolbens 18a bewirkt, wodurch Druckmittel aus dem Arbeitsraum 22a und den Nutabschnitt 62 in den Gehäuseinnenraum 64 abgeführt wird. Etwa am Ende des Ausfahrens des Kolbens 16a, beziehungsweise des Einfahrens des Kolbens 18a, gelangen die Arbeitsräume 20a, 22a über die Durchgangsausnehmung 60 der Taumelscheibe 32 in Druckmittelverbindung. Etwa zu diesem Zeitpunkt wird das Schaltventil 48a in seine Durchflussstellung geschaltet, wodurch in beiden Arbeitsräumen 20a, 22a Hochdruck anliegt und die beiden Kolben 16a, 18a in Richtung der Taumelscheibenflächenabschnitte 26, 28 geschoben werden. Wie in den 1 und 2 gut zu sehen ist, sind Kolbenflächen 70a, 70b der zweiten Gruppe 6 etwa doppelt so groß wie Kolbenflächen 68a, 68b der ersten Gruppe 4. Dadurch sind die Summen der durch die gemäß 2 oberen Kolben 16a, 18a und unteren Kolben 16b, 18b auf die Taumelscheibe 32 ausgeübten Kräfte von gleichem Betrag. Da beide Summenkräfte in entgegengesetzter Richtung wirken, resultieren sie in zwei gleichsinnig auf die Welle 34 wirkenden Drehmomenten, die sich zum Gesamtdrehmoment des Taumelscheibenmotors 1 addieren. Eine Gesamtkraft in axialer Richtung der Welle 34 ist dabei Null, was sich besonders vorteilhaft auf die Lagerung der Welle 34 über die Lager 40, 42 gemäß 1 auswirkt.
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Es folgt eine Beschreibung eines Teillastbetriebs des Taumelscheibenmotors 1 anhand der 2. Eine Verringerung eines effektiven geometrischen Hubvolumens des Taumelscheibenmotors 1 wird dadurch erzielt, dass ein oder mehrere Arbeitsräume 20a, 20b der ersten Gruppe 4 vom Hochdruckanschluss P getrennt werden. Dies erfolgt durch ein Schalten zumindest eines der Schaltventile 48a, 48b in dessen Schließstellung. Diese Schließstellung wird dabei für die Dauer der Verringerung des Hubvolumens dauerhaft eingenommen. Die Schaltventile müssen währenddessen folglich keine Schaltzyklen absolvieren, was ihren Verschleiß und Steuerungsaufwand verringert. Durch die Verringerung des geometrischen Hubvolumens wird je nach Betriebsmodus eine Drehzahl und/oder ein abgegebenes Drehmoment verändert. Soll beispielsweise der Arbeitsraum 20a vom Hochdruckanschluss P getrennt werden, so wird das Schaltventil 48a im unteren Totpunkt des Taumelscheibenmotors geschlossen. Der untere Totpunkt charakterisiert sich dadurch, dass der Kolben 16a im Zylinder 12a maximale eingefahren ist. Nach dem Überschreiten des unteren Totpunkts fährt der Kolben 16a bei Rotation der Trommelscheibe 32 wieder aus, da sein Gleitschuh 24a über einen Kolbenniederhalter (nicht dargestellt) mit der Taumelscheibe 32 gekoppelt ist. Beim Ausfahren des Kolbens 16a wird über das öffnende Rückschlagventil 50a Druckmittel niederen Drucks in den Arbeitsraum 20a nachgesaugt. Wird nach dem Überschreiten des oberen Totpunkts das Schaltventil 48a nicht geschlossen, ist auch der Arbeitsraum 22a nicht an der Drehmomenterzeugung beteiligt. Das beim Ausfahren des Kolbens 18a nachströmende Fluid strömt dabei aus dem Arbeitsraum 20a durch die Durchgangsausnehmungen 52a, 56a, 60, 58a und 54a in den Arbeitsraum 22a. Auf gleiche Weise können die übrigen Arbeitsraumpaare, von denen gemäß 2 lediglich das Paar 20b, 22b gezeigt ist, vom Hochdruckanschluss P getrennt werden.
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Die Anzahl der auf diese Weise abgeschalteten Paare von Arbeitsräumen bestimmt, in welchem Maß das geometrische Hubvolumen verringert ist. Eine höhere Anzahl von Zylinderkolbeneinheiten führt dabei zu kleineren Abstufungen. Dabei kann eine stufenlose Verstellung des geometrischen Hubvolumens dadurch erreicht werden, dass geschlossene Schaltventile 48a, 48b zwischen dem unteren und dem oberen Totpunkt geöffnet werden.
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4 zeigt eine Ventilanordnung 47a eines Ausführungsbeispiels einer als Taumelscheibenpumpe ausgeführten Taumelscheibenmaschine. Der Aufbau dieser Taumelscheibenpumpe entspricht dabei demjenigen des vorbeschriebenen Taumelscheibenmotors 1 gemäß den 1 bis 3. Lediglich dessen Ventilanordnungen 46a und 46b (vergleiche 1 oder 2) sind durch die Ventilanordnung 47a und die baugleiche Ventilanordnung 47b (nicht dargestellt) ersetzt. Aus diesem Grund und weil die beiden Ventilanordnungen 47a und 47b baugleich sind, beschränkt sich die Darstellung und Beschreibung dieses Ausführungsbeispiels auf die Ventilanordnung 47a. Dabei erfolgt die Druckmittelversorgung des Arbeitsraums 20a (vergleiche 1 oder 2) der Taumelscheibenpumpe über die Ventilanordnung 47a gemäß 4. Die Ventilanordnung 47a ist ähnlich der Ventilanordnungen 46a gemäß 1 und 2 ausgestaltet, jedoch sind die Anordnungen der Ventile gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß den 1 und 2 vertauscht. Gemäß 4 weist die Ventilanordnung 47a ein Rückschlagventil 51a auf, das in Schließrichtung von einer Feder und dem Hochdruck P belastet ist. In Öffnungsrichtung ist es mit dem Druck in der Arbeitsleitung 44a belastet. Die Arbeitsleitung 44a ist einerseits mit dem Arbeitsraum 20a (vergleiche 2) und andererseits mit einer Verbindungsleitung 45a verbunden, über die das Rückschlagventil 51a mit einem 2/2-Wegeventil 49a verbunden ist. Das in 4 dargestellte Bezugszeichen 47b verweist auf die zur Ventilanordnung 47a symmetrisch und baugleich ausgebildete Ventilanordnung 47b, die über die Arbeitsleitung 44b (vergleiche 2) mit dem Arbeitsraum 20b verbunden ist. In 4 links ist die Arbeitsleitung angedeutet, über die beide Ventilanordnungen 47a, 47b mit dem Tank T verbunden sind.
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Das Rückschlagventil 51a ermöglicht es, das Schaltventil 49a im Pumpenbetrieb in seiner federvorgespannten Schließstellung zu belassen, solange das Arbeitsraumpaar 20a, 22a (vergleiche 2) aktiviert sein und zum Fördervolumenstrom in Richtung des Hochdrucks P beitragen soll.
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Im Folgenden wird ein Arbeitszyklus der Taumelscheibenpumpe im Volllastbetrieb beschrieben. Die Taumelscheibenpumpe basiert dabei auf der Taumelscheibenmaschine gemäß 1 und 2, wobei die Ventilanordnung 46a, 46b gemäß 2 durch die Ventilanordnung 47a, 47b gemäß 4 ersetzt ist. In einer Ausgangssituation sei gemäß 2 der Kolben 16a maximal in seinen Zylinder 12a eingefahren. Dementsprechend weist der dem Kolben 16a zugeordnete Arbeitsraum 20a ein minimales und der gegenüber angeordnete, dem Kolben 18a zugeordnete Arbeitsraum 22a ein maximales Volumen auf. In diesem Zustand sind beide Arbeitsräume 20a, 22a über die Durchgangsausnehmung 60 miteinander verbunden. Im Volllastbetrieb sind alle Kolben 16a, 16b, 18a, 18b aktiv, was bedingt, dass die zugeordneten Schaltventile 49a und 49b ihre federvorgespannte Sperrstellung aufweisen. Aufgrund der Drehung der Taumelscheibe 32 und deren Anstellwinkel fahren die Kolben 16a und 18a in 2 nach rechts, wodurch aus dem Arbeitsraum 22a Druckmittel zu einem Teil in den Arbeitsraum 20a und zum restlichen Teil durch das sich öffnende Rückschlagventil 51a unter Druck zum Hochdruck P ausgestoßen wird. Bei einer weiteren Drehung der Taumelscheibe 32 wird das Volumen des Arbeitsraums 22a minimal und das des Arbeitsraums 20a maximal groß. In diesem Betriebszustand ist der Kolben 18a mit dem Nutabschnitt 62 verbunden. Der Kolben 16a hingegen ist in diesem Zustand – ähnlich der Darstellung gemäß 2 – über den ersten Taumelflächenscheibenabschnitt 26 abgesperrt. Im, Folgenden fahren die Kolben 16a, 18a in 2 nach links, wodurch Druckmittel aus dem Arbeitsraum 20a über das sich öffnende Rückschlagventil 51a in das Hochdrucknetz (P) ausgestoßen wird. Parallel dazu wird aufgrund des sich erweiternden Arbeitsraumes 22a über die Durchgangsausnehmung 54a des Kolbens 18a, die Durchgangsausnehmung 58a des Gleitschubs 30a und den Nutabschnitt 62 Druckmittel aus dem Gehäuseinnenraum 64 angesaugt. Der Zyklus endet mit der Ausgangssituation, in der das Volumen des Arbeitsraums 20a minimal und das des Arbeitsraums 22a maximal groß ist und beide Arbeitsräume 20a, 22a über die Durchgangsausnehmung 60 verbunden sind.
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Ein Arbeitszyklus für den Pumpenbetrieb in Teillast entspricht im Prinzip denjenigen der vorbeschriebenen Volllast, wobei abweichend davon die Teillast dadurch realisiert ist, dass ein oder mehrere Kolbenpaare 16, 18 dauerhaft mit dem Tank verbunden sind. Dies erfolgt über die Bestromung des Schaltventils 49a wodurch dieses in seine Durchflussstellung geschaltet ist. Dadurch kann während der Bewegung der Taumelscheibe 32 in der Arbeitsleitung 44a nie ein derart hoher Druck entstehen, dass Druckmittel aus den Arbeitsräumen 16a, 18a über das Rückschlagventil 51a ins Hochdrucknetz gepumpt wird. Stattdessen wälzen die so deaktivierten Kolbenpaare 16, 18 lediglich Druckmittel auf Niederdruckniveau des Tanks um.
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Unabhängig von den gezeigten Ausführungsbeispielen erweist sich die Verwendung von Wasser oder Meerwasser als Druckmittel für die Taumelscheibenmaschine als besonders vorteilhaft, da aufgrund dessen niedriger Viskosität, gegenüber der Verwendung von Ölen oder Mineralölen als Druckmittel, Strömungsverluste in den Kanälen und Arbeitsräumen klein ausfallen. Außerdem sinken die Verluste durch Kompression, da Wasser einen etwa zweifach höheren Kompressionsmodul als Mineralöl aufweist. Im Vergleich zu herkömmlichen Taumelscheibenmaschinen weist der beschriebene Taumelscheibenmotor 1 und die beschriebene Taumelscheibenpumpe aufgrund der Integration der Umsteuerfunktion in die Taumelscheibe 32 weniger Leckagespalte auf. Es entfallen beide Leckagespalte an einer Steuerscheibe, da auf diese verzichtet werden kann. Bei bekannten Maschinen mit digitaler Verdrängung werden pro Kolben zwei Schaltventile benötigt. Durch die Tandemanordnung der Kolben und durch die erfindungsgemäße Taumelscheibe 32 mit den Durchgangsausnehmungen 60 und dem Nutabschnitt 62 wird diese Anzahl auf nur ein Schaltventil pro Kolbenpaar und damit auf ein Viertel verringert.
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Ein großer Vorteil aller gezeigten Ausführungsbeispiele ist, dass im Volllastbetrieb die Umsteuerung zwischen Hoch- und Niederdruck ausschließlich von den Durchgangsausnehmungen 60 und dem Nutabschnitt 62 der Taumelscheibe 32 übernommen wird. Die Schaltventile 48a, 48b; 49a, 49b müssen also zur Umsteuerung nicht mehr schalten. Ihre Schaltvorgänge dienen nur noch der Aktivierung oder Deaktivierung von Arbeitsraumpaaren. Gegenüber herkömmlichen Taumelscheibenmaschinen mit digitaler Umsteuerung ergibt sich insbesondere bei höheren Drehzahlen dadurch eine bedeutend höhere Lebensdauer der Schaltventile, da sie weniger häufig schalten müssen. Im Teillastbetrieb hingegen sinken die Verluste gegenüber herkömmlichen Taumelscheibenmaschinen, da an den deaktivierten Arbeitsräumen kein Hochdruck mehr ansteht und eine innere Leckage verringert ist. Beim Einsatz von Sitzventilen für die Schaltfunktion können die deaktivierten Arbeitsräume als leckagefrei betrachtet werden.
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Offenbart ist eine hydrostatische Taumelscheibenmaschine mit zwei Gruppen von Zylinder-Kolben-Einheiten, die jeweils eine Mehrzahl von gehäusefest angeordneten Zylindern aufweisen, in denen jeweils ein Kolben axial verschieblich angeordnet ist. Arbeitsräume der Zylinder-Kolbeneinheiten sind mit einem Hochdruck oder mit einem Niederdruck in Druckmittelverbindung bringbar. Die Kolben der ersten Gruppe sind an einem ersten Taumelscheibenflächenabschnitt und die der zweiten Gruppe an einem zweiten Taumelscheibenflächenabschnitt abgestützt, wobei die Taumelscheibenflächenabschnitte miteinander drehfest verbunden sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0494236 B1 [0006, 0009]
