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Die Erfindung betrifft eine hydrostatische Axialkolbenmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Derartige, beispielsweise aus der
US 5,630,352 A ,
US 5,390,584 A oder
US 6,719,460 B1 bekannte Axialkolbenmaschine haben ein Triebwerk mit einer Zylindertrommel, in der eine Vielzahl von Kolben geführt sind. Diese Kolben begrenzen mit der Zylindertrommel jeweils einen Arbeitsraum, der mit Hochdruck oder Niederdruck verbindbar ist. Die Kolben sind fußseitig an einer Schwenkwiege – auch Schrägscheibe genannt – abgestützt, die zur Verstellung des Förder-/Schluckvolumens verschwenkbar in einem Gehäuse gelagert ist. Die Lagerung kann als Gleit- oder als Wälzlagerung ausgeführt sein. Beim vorgenannten Stand der Technik erfolgt die Lagerung über zwei Rollenlagersegmente, deren etwa zylinderförmige Rollen auf einer schwenkwiegenseitigen und einer gehäuseseitigen Laufbahn abrollen. Die Laufbahnen können direkt an der Schwenkwiege und am Gehäuse ausgebildet sein. Prinzipiell ist es jedoch auch möglich, die Laufbahnen an in die Schwenkwiege und/oder in das Gehäuse eingesetzten Lagerschalen vorzusehen.
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Wie in der
DE 10 2008 013 010 A1 ausgeführt, kann sich die Schwenkwiege aufgrund der großen über die Kolben eingeleiteten Triebwerkskräfte durchbiegen. Diese Biegung führt zu einer relativen Verkippung der schwenkwiegenseitigen und gehäuseseitigen Laufbahnen, so dass es insbesondere im Bereich der zur Achse der Axialkolbenmaschine innen liegenden schwenkwiegenseitigen Lagerbahnabschnitte zu einer erhöhten Flächenpressung kommt, während die radial außen liegenden Bereiche der Lagerbahn entlastet sind. Durch diese lokale Überlastung der Lagerung in den radial innen liegenden Bereichen kommt es im Übergangsbereich zwischen einem umlaufenden Freistich und der Laufbahn zu so genannten Kantenträgern, so dass diese Kante abplatzen und dadurch Pitting entstehen kann. Eine hydrostatische Entlastung dieser Bereiche ist durch das Aufklaffen der radial außen liegenden Lagerbereiche erschwert.
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In der vorgenannten
DE 10 2008 013 010 A1 wird zur Überwindung dieses Nachteils vorgeschlagen, die Lagerbereiche verformbar auszubilden, um eine Durchbiegung mit der Schwenkwiege zu kompensieren.
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Es zeigte sich, dass die Realisierung einer Axialkolbenmaschine mit gezielt verformbaren Lagerbereichen einen hohen konstruktiven und materialtechnischen Aufwand erfordert, die den Preis der Axialkolbenmaschine wesentlich bestimmen.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Axialkolbenmaschine zu schaffen, bei der mit geringem vorrichtungstechnischen Aufwand ein vorzeitiger Verschleiß vermieden werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Axialkolbenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß ist die hydrostatische Axialkolbenmaschine mit einer Schwenkwiege ausgeführt, an der eine Vielzahl von Kolben eines Triebwerks abgestützt ist. Die Schwenkwiege ist über eine Wiegenlagerung mit zwei Rollenlagersegmenten verschwenkbar in einem Gehäuse der Axialkolbenmaschine gelagert. Diese Rollenlagersegmente haben jeweils eine Vielzahl von Rollen, die im Bereich zwischen einer gehäuseseitigen Laufbahn und einer schrägscheibenseitigen Laufbahn geführt sind, wobei zumindest der schwenkwiegenseitigen Laufbahn eine Seitenwange zugeordnet und im Übergangsbereich zwischen dieser und der Laufbahn ein Freistich ausgebildet ist. Erfindungsgemäß sind die Rollen derart profiliert, dass der Abstand zwischen der Rolle und einer Kante zwischen dem Freistich und der Laufbahn bei allen bestimmungsgemäßen Lastzuständen (Pumpenbetrieb, Motorbetrieb) größer Null ist.
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Mit anderen Worten gesagt sind die Rollen mit einer Profilierung versehen, die derart ausgeführt ist, dass ein Kantenträger der eingangs beschriebenen Art auch bei den höchsten konstruktiv vorgesehenen Lastzuständen weitestgehend vermieden werden kann. Die Kanten der Freistiche sind somit auch bei diesen Lastzuständen nicht im Laufbereich der jeweiligen Rolle angeordnet, so dass dem Entstehen der eingangs erläuterten Kantenträger und somit einem vorzeitigen Verschleiß der Axialkolbenmaschine vorgebeugt werden kann.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Profilierung derart ausgeführt, dass die bei den maximalen Lastzuständen auftretenden Spannungsspitzen schenkwiegenseitig im Bereich der Kante und auch an den Rollen minimiert sind.
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Die Profilierung der Rolle ist vorzugsweise so ausgebildet, dass sich der Rollendurchmesser zumindest zu der zur Seitenwange weisenden Stirnfläche hin verringert.
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Dabei wird es besonders bevorzugt, wenn die Profilierung in einem Abstand zu dieser Stirnfläche beginnt, der im Bereich von etwa einer halben Rollenlänge bis etwa zwei Drittel der halben Rollenlänge liegt.
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Ein Ausführungsbeispiel sieht vor, die Profilierung so auszubilden, dass die Rollenmantelfläche im Längsprofil der Rolle gesehen mit zumindest zwei Radien verläuft, wobei sich diese Radien zur Stirnseite hin verringern.
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Als besonders gut geeignet hat sich eine Geometrie herausgestellt, bei der die Profilierung über zumindest drei Radien erfolgt, wobei der Radius zur Stirnseite hin abnimmt.
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Der Verschleiß der Axialkolbenmaschine lässt sich weiter minimieren, wenn eine oder mehrere der folgenden Geometrievorgaben erfüllt sind: Das Verhältnis zwischen dem größten Radius und dem nächstkleineren Radius sollte zwischen 5 und 10, vorzugsweise zwischen 6,5 und 8,5 liegen. Das Verhältnis zwischen dem letztgenannten Radius und dem nächstkleineren Radius kann zwischen 20 und 100, vorzugsweise zwischen 50 und 70 liegen.
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Das Verhältnis zwischen der Rollenlänge und einer vom erst genannten Radius bestimmten Profilbreite kann zwischen 1,5 und 2,0, vorzugsweise zwischen 1,65 und 1,85 liegen.
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Das Verhältnis einer im Wesentlichen vom dritten, kleinsten Radius bestimmten Profilbreite zur Länge des Freistichs kann größer als 1.5 gewählt sein.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung liegt das Verhältnis zwischen der Rollenlänge und dem Rollendurchmesser etwa zwischen 1,8 und 2,5.
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Der Verschleiß der Laufbahn und der Rollen ist weiter minimiert, wenn die Radien derart gewählt sind, dass sich eine im Längsprofil stetig verlaufende Profilierung ergibt.
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Die Herstellung der Rollen ist besonders einfach, wenn diese im Längsprofil gesehen senkrecht zur Längsachse symmetrisch ausgebildet sind.
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Die Gefahr des Entstehens von Kantenträgern lässt sich weiter minimieren, wenn auch die Laufbahnen, vorzugsweise die schwenkwiegenseitige Laufbahn entsprechend mit einem Vorhaltewinkel profiliert ist, so dass der Abstand zwischen der Umfangsfläche der Rolle und der oben genannten Kante weiter vergrößert ist.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen
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1 eine stark schematisierte Darstellung erfindungswesentlicher Bauelemente einer Axialkolbenmaschine,
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2 eine Detaildarstellung eines Lagerbereiches einer Schwenkwiege der Axialkolbenmaschine gemäß 1,
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3 eine Detaildarstellung einer Rolle des Lagerbereiches gemäß 2,
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4 eine Detaildarstellung des Lagerbereiches gemäß 2,
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5 eine schematische Darstellung einer Schwenkwiege bei Belastung und
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6 eine vergrößerte Darstellung eines Lagerbereiches bei Belastung gemäß 5.
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Gemäß der Darstellung in 1 hat eine Axialkolbenmaschine 1, beispielsweise eine Axialkolbenpumpe, ein Triebwerk mit einer drehbar gelagerten Zylindertrommel 2 (gestrichelt angedeutet in 1), in der eine Vielzahl von Kolben 4 in Axialrichtung verschiebbar geführt sind. Diese stützen sich über Gleitschuhe 6 an einer Lauffläche einer Schwenkwiege 8, auch Schrägscheibe genannt, ab. Zur Verstellung des Förder-/Schluckvolumens kann diese Schwenkwiege 8 über eine Wiegenlagerung 10 in einem Gehäuse 12 verschwenkt werden. Die Schwenklagerung 10 hat zwei Rollenlagersegmente 14, 16, die jeweils mit einer Vielzahl von Rollen 18 ausgeführt sind, die beispielsweise über einen Lagerkäfig zueinander beabstandet sind. Diese Rollenlagersegmente erstrecken sich etwa bogenförmig aus der Zeichenebene gemäß 1 zum Betrachter hin und von dieser Zeichenebene vom Betrachter weg. In entsprechender Weise ist jedem Rollenlagersegment 14, 16 eine schwenkwiegenseitige Laufbahn 20 und eine gehäuseseitige Laufbahn 22 zugeordnet, entlang der die Rollen 18 geführt sind. Diese Laufbahnen können direkt an der Schwenkwiege 8 und/oder am Gehäuse 12 ausgeführt werden. Prinzipiell ist es jedoch auch möglich, diese Laufbahnen durch Lagerschalen auszubilden, die in das jeweilige Bauelement eingesetzt sind. Häufig eingesetzt sind Lösungen, bei denen derartige Lagerschalen 24 nur gehäuseseitig vorgesehen sind, während schwenkwiegenseitig die Laufbahn 20 direkt an der Schwenkwiege 8 ausgebildet ist.
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Weitere Einzelheiten der Wiegenlagerung 10 werden anhand der Detaildarstellung gemäß 2 erläutert, die den rechten Teil der Schwenklagerung 10 in 1 zeigt.
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Man erkennt in dieser Darstellung einen Teil der Schwenkwiege 8, an der die schwenkwiegenseitige Laufbahn 20 ausgebildet ist. In eine Aufnahme des lediglich angedeuteten Gehäuses 12 ist die Lagerschale 24 eingesetzt, an der die gehäuseseitige Laufbahn 22 ausgebildet ist. Diese Lagerschale 24 hat eine die gehäuseseitige Laufbahn 22 ausbildende Umfangswandung 26 und einen sich an diese in Radialrichtung anschließende Wandung, die einen Wange 28 ausbildet. Im Übergangsbereich zwischen der seitlich vorspringenden Wange 28 und der Umfangswandung 26 ist ein Freistich 30 vorgesehen.
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Wie erwähnt, ist die schwenkwiegenseitige Laufbahn 20 an der Schwenkwiege 8 ausgeführt und verläuft beim Ausführungsbeispiel gemäß 2 parallel zur gehäuseseitigen Laufbahn 22. Diese schwenkwiegenseitige Laufbahn 20 ist durch eine kreissegmentförmige Nut ausgeführt, deren in Radialrichtung (bezogen auf die Krümmung der Laufbahn 20) vorspringende Wandung eine Seitenwange 32 ausbildet. Ähnlich wie an der Gehäuseseite ist auch schwenkwiegenseitig im Übergangsbereich zwischen der schwenkwiegenseitigen Laufbahn 20 und der Seitenwange 32 ein Freistich 34 ausgebildet.
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Aus 2 ist weiter entnehmbar, dass die Rolle 18 nicht wie beim zuvor beschriebenen Stand der Technik zylinderförmig sondern tonnenförmig ausgebildet ist, wobei sich der Durchmesser der Rolle 18 von dem mittleren Bereich in 2 zu den beiden Stirnseiten 36, 38 hin verjüngt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt diese Verjüngung, wie anhand 3 erläutert, über drei Radien R1, R2 und R3, wobei diese Radien so gewählt sind, dass sich eine etwa stetige Profilierung der Rollenmantelfläche ergibt. Gemäß der Darstellung in 2 überlappt in der Einbauposition die Seitenwange 32 mit der Stirnfläche 36. Entsprechend überlappt die Stirnseite 38 mit der Wange 28, so dass die Rolle 18 auch in ihrer Axialrichtung (horizontal in 2) geführt ist. Die Balligkeit der Rolle 18 ist in 2 übertrieben dargestellt.
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Gemäß 3 ist das Längsprofil der Rolle 18 mit Bezug auf ihre Längsachse (horizontal) als auch auf ihre Radialachse 40 achsensymmetrisch ausgeführt, wobei sich der Durchmesser DR von der Radialachse 40 hin zu den Stirnseiten 36, 38 verjüngt. Diese Verjüngung erfolgt über die drei genannten Radien R1, R2 und R3, wobei R1 > R2 > R3 ist.
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Gemäß der Darstellung in 3 ist die von der Radialachse 40 durchsetzte mittige Profilbreite B1 durch den Radius R1, die sich daran beidseitig anschließenden Profilbreite B2 durch den Radius R2 und die an die jeweiligen Stirnseiten 36, 38 angrenzende Profilbreiten B3 durch den Radius R3 bestimmt. Die gesamte Länge LR der Rolle 18 entspricht derjenigen herkömmlicher zylinderförmiger Rollen. Der Maximaldurchmesser der Zylinderrolle 18 liegt im Bereich der Radialachse 40.
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Das Verhältnis der Radien R1/R2 beträgt zwischen 5 und 10, vorzugsweise zwischen 6,5 und 8,5. Das Verhältnis der Radien R2/R3 liegt beim dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen 20 und 100, vorzugsweise zwischen 50 und 70. Das Verhältnis zwischen der Rollenlänge LR und der Profilbreite B1 liegt zwischen 1,5 und 2, vorzugsweise zwischen 1,65 und 1,85.
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Das Verhältnis des kleinsten Radius R3 zur in 4 dargestellten Länge LF des Freistichs 34 ist größer als 1,5 gewählt. Konkret betragen die Radien bei einer Rolle mit einem maximalen Durchmesser DR von 12 mm und einer Länge LR von 22 mm: R1 = 3500 mm, R2 = 450 mm und R3 = 7 mm, wobei insbesondere beim mittleren Durchmesser R2 größere Abweichungen möglich sind. Die Breite B1 liegt dabei etwa bei 13 mm, während die Breite B3 bei etwa 1,2 mm liegt.
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Mit einer derartigen Abmessung wird ein Abstand S zwischen der Außenumfangswandung der Rolle 18 und einer Kante 42 ausgebildet, die den Übergang zwischen dem Freistich 34 und der schwenkwiegenseitigen Laufbahn 20 bildet. Durch diesen Abstand S ist gewährleistet, dass auch bei einer vergleichsweise großen Biegung der Schwenkwiege 8 die Außenumfangswandung der Rolle 18 nicht auf die Kante 42 auftrifft – Kantenträger werden somit zuverlässig verhindert. Dies wird anhand der 5 und 6 erläutert.
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5 zeigt Teile einer Axialkolbenmaschine in einer Darstellung gemäß 1 bei einer hohen Belastung, bei der die Schwenkwiege 8 aufgrund der über das Triebwerk eingeleiteten Kräfte F in der eingangs erläuterten Weise gebogen wird. Wie aus der vergrößerten Darstellung des Rollenlagersegmentes 16 in 5 hervorgeht, wird dadurch die schwenkwiegenseitige Laufbahn 20 gegenüber der gehäuseseitigen Laufbahn 22 gekippt, so dass sich der Anlagebereich zwischen der tonnenförmigen Rolle 18 und der schwenkwiegenseitigen Laufbahn 20 in Pfeilrichtung nach links verlagert, wobei die vorbeschriebene Profilierung dafür sorgt, dass auch bei dieser maximalen Belastung F die Kante 42 nicht im Laufbereich der Rolle 18 liegt. Dies erkennt man besonders deutlich in der 6, die den Freistich 34 an dem in 5 linken Lagerbereich der Schwenkwiege 8 zeigt. Man sieht in dieser Darstellung eine Rolle 18 des Rollenlagersegmentes 14 und den benachbarten Teil der Schwenkwiege 8 mit ihrer Laufbahn 20 wobei die Kante 42 im Übergangsbereich zwischen dem Freistich 34 und der schwenkwiegenseitigen Laufbahn 20 im Abstand zum Außenumfang der Rolle 18 steht, so dass selbst bei dieser maximalen Belastung kein Kantenabplatzer oder Pitting entstehen kann. Dieser Abstand Smin ist in 6 eingezeichnet.
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Der bei der maximalen Belastung noch einzuhaltende Minimalabstand Smin lässt sich auch dadurch vergrößern oder herbeiführen, indem die schwenkwiegenseitige Laufbahn 20 mit einem Vorhaltewinkel α ausgeführt ist. Eine derartige Variante ist strichpunktiert in 4 angedeutet. Demgemäß kann beispielsweise die Laufbahn 20 im Kantenbereich 42 um den Vorhaltewinkel α etwas abgewinkelt werden, wobei diese Abwinklung auch durch einen Radius oder dergleichen ausgebildet wird, so dass der sich bei der Belastung einstellende Abstand Smin noch größer als bei dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ausgebildet ist.
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Offenbart ist eine Axialkolbenmaschine, bei der Rollen einer Wiegenlagerung derart profiliert sind, dass ein Kantenträger nicht entstehen kann oder die Gefahr der Bildung eines Kantenträgers deutlich verringert ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5630352 A [0002]
- US 5390584 A [0002]
- US 6719460 B1 [0002]
- DE 102008013010 A1 [0003, 0004]
