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Die Erfindung betrifft eine hydrostatische Axialkolbenmaschine mit einer druckentlasteten Schwenkwiege gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine Schwenkwiege mit einer Entlastungsausnehmung zur hydrostatischen Entlastung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 12. Als Schwenkwiege wird im Folgenden eine in ihrer Schrägstellung verstellbare Schrägscheibe bezeichnet.
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Derartige verstellbare Axialkolbenmaschinen in Schrägscheibenbauweise haben ein Gehäuse und eine Zylindertrommel, in der eine Mehrzahl von Zylinder-Kolben-Einheiten etwa auf einem Teilkreis angeordnet und um eine Drehachse drehbar gelagert ist. Die Zylinder sind dabei beispielsweise über Zylinderbohrungen in einer drehfest mit der Drehachse verbundenen Zylindertrommel ausgebildet. Die ihnen zugeordneten Kolben sind an einer Schrägfläche der Schrägscheibe abgestützt. Um ein geometrisches Hubvolumen der Axialkolbenmaschine variieren zu können, ist die Schrägscheibe in ihrer Schrägstellung verstell- beziehungsweise verschwenkbar und wird dann auch als Schwenkwiege bezeichnet. Eine Lagerung der Schwenkwiege erfolgt dabei über ein gehäusefestes Gleitlager. Zur Einstellung des geometrischen Hubvolumens wird die Schwenkwiege einerseits von einer Verstellvorrichtung und andererseits von einer Rückstellvorrichtung angelenkt.
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Im bestimmungsgemäßen Betrieb muss das Gleitlager die an der Schwenkwiege wirkenden Abstützkräfte der mit Druckmittel beaufschlagten Kolben und die Stell- und Rückstellkraft aufnehmen. Um einen Verschleiß von Lagerflächen der Schwenkwiege und des Gleitlagers zu minimieren, und um eine Verstellbarkeit der Schwenkwiege selbst unter Last leichtgängig zu halten, ist zwischen dem Gleitlager und der Schwenkwiege gemäß dem Stand der Technik zumindest ein hydrostatisches Druckfeld angeordnet. Dessen Position wird über eine von einer Randkontur begrenzte Entlastungsausnehmung bestimmt. Diese ist häufig an der Schwenkwiege angeordnet, kann aber auch am Gleitlager angeordnet sein. Die Entlastungsausnehmung ist dabei mit Druckmittel beaufschlagbar. Die Druckmittelversorgung der Entlastungsausnehmung kann dabei elegant über eine interne Druckmittelquelle der Maschine erfolgen, indem beispielsweise Druckmittel über die hydraulische Stellvorrichtung und einen die Schwenkwiege durchsetzenden Druckmittelkanal zugeführt wird.
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Die Druckschrift
DE 32 32 363 C2 zeigt eine entsprechende Axialkolbenmaschine mit einer Entlastungsausnehmung der Schwenkwiege, die bezogen auf eine Ebene der Schrägfläche linear, beziehungsweise geradlinig ausgebildet ist. Deren Druckmittelversorgung erfolgt über einen Stellkolben der Stellvorrichtung.
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Auch die Druckschrift
US 4 543 876 A zeigt eine verstellbar ausgestaltete Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise. Deren Schwenkwiege weist beidseitig einer zentralen Schwenkebene jeweils zwei mit Bezug zur Ebene der Schrägfläche linear ausgebildete Entlastungsausnehmungen auf.
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Die Offenlegungsschrift
DE 100 17 780 A1 zeigt eine verstellbare Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise mit beidseitig der zentralen Schwenkebene angeordneten, unterschiedlich großen linearen Entlastungsausnehmungen. Dabei ist eine größere der Entlastungsausnehmungen bevorzugt auf derjenigen Seite der Schwenkwiege angeordnet, an der sich die Zylinder-Kolben-Einheiten entlang bewegen, wenn in ihnen Hochdruck ansteht.
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Ein abweichendes Konzept zeigt die Druckschrift
DE 440 09 370 C2 , bei der entsprechende Entlastungsausnehmungen im Gleitlager ausgebildet sind. Diese sind über gehäuseseitige Druckmittelkanäle versorgbar. Auch diese Entlastungsausnehmungen weisen bezogen auf die Ebene der Schrägfläche eine im Wesentlichen lineare Längserstreckung auf. Abweichend von den bisher genannten weisen sie zudem entlang ihrer Längserstreckung eine Reihe periodisch wiederkehrender Mäander auf. Diese sind entweder über eine Folge von spitzen oder etwa rechten Winkeln gebildet. Für den bestimmungsgemäßen Betrieb ist bei dieser Axialkolbenmaschine vorgesehen, dass aus der Entlastungsausnehmung heraus ein bestimmter Leckagestrom in das Gehäuse hinein vorliegt. Weitere Axialkolbenmaschinen in Schrägscheibenbauweise mit Entlastungsausnehmungen sind aus den Druckschriften
JP 2005 315 217 A ,
DE 2 100 028 A und
US 2003 / 0 047 066 A1 bekannt.
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Allen genannten Axialkolbenmaschinen des Stands der Technik ist der Nachteil gemein, dass in Abhängigkeit einer im bestimmungsgemäßen Betrieb auftretenden Verformung der Schwenkwiege und/oder des Gleitlagers ein Leckagestrom vom hydrostatischen Druckfeld ins Gehäuse hinein vorliegt, wodurch ein volumetrischer Wirkungsgrad der Axialkolbenmaschine verringert ist.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Axialkolbenmaschine mit verbessertem volumetrischen Wirkungsgrad und eine Schwenkwiege für eine derartige Axialkolbenmaschine zu schaffen.
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Die erste Aufgabe wird gelöst durch eine Axialkolbenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, die zweite Aufgabe wird gelöst durch eine Schwenkwiege mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Eine hydraulische Axialkolbenmaschine hat ein Gehäuse und eine Zylindertrommel, in der eine Mehrzahl von Zylinder-Kolben-Einheiten angeordnet ist. Deren Kolben sind an einer Schrägfläche einer Schwenkwiege abgestützt, die an einem insbesondere gehäusefesten Gleitlager schwenkbar gelagert ist. Zwischen dem Gleitlager und der Schwenkwiege ist zumindest ein hydrostatisches Druckfeld, insbesondere zur hydrostatischen Entlastung der Schwenkwiege am Gleitlager, ausbildbar. Dieses Druckfeld ist über eine Randkontur begrenzt. Erfindungsgemäß ist die Randkontur derart an eine aus einem bestimmungsgemäßen Betrieb resultierende Verformung der Schwenkwiege und/oder des Gleitlagers und an eine aus der Verformung resultierende Abhebegrenze angepasst ist, über die ein Kontaktbereich, in dem die Schwenkwiege am Gleitlager gelagert ist, von einem Freibereich, in dem die Schwenkwiege vom Gleitlager abgehoben ist, abgegrenzt ist. Die Randkontur ist derart an die Abhebegrenze angepasst, dass sie ganz im Kontaktbereich angeordnet ist sodass ein Leckagestrom aus dem hydrostatischen Druckfeld hinaus, insbesondere ins Gehäuse, minimiert ist. Die Randkontur ist derart an die Abhebegrenze angepasst, dass ein Abstand der Randkontur zur Abhebegrenze zumindest entlang eines Randkonturabschnitts im Wesentlichen konstant ist, und ein benachbart zu einer Seitenfläche der Schwenkwiege angeordneter Randkonturabschnitt zur Seitenfläche hin konvex gekrümmt ist.
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Herkömmliche Druckfelder mit überwiegend geradliniger Randkontur weisen keine derartige Anpassung auf. Diesen gegenüber hat die an die Verformung angepasste Randkontur den Vorteil, dass für eine vom Druckfeld geforderte Entlastungswirkung die Lage und / oder die Form und / oder die Größe des Druckfeldes optimiert ist und dadurch der Leckagestrom verringert ist. Die Verringerung der Leckage bringt eine Erhöhung des volumetrischen Wirkungsgrades mit sich. Das Druckfeld kann dadurch in bedarfsgerechter Größe in einem optimalen Bereich zwischen dem Gleitlager und der Schwenkwiege ausgebildet sein. Ein weiterer Vorteil besteht darin dass die Schwenkwiege aufgrund der erfindungsgemäßen Anpassung der Randkontur weniger steif ausgestaltet sein kann, ohne dass die geforderte Entlastung verloren geht: Die Schwenkwiege kann beispielsweise aus einem weicheren, kostengünstigeren Werkstoff gefertigt sein. Eine damit verbundene stärkere Verformung der Schwenkwiege würde bei herkömmlicher, hauptsächlich linearer Randkontur zu mehr Leckage und geringerem Wirkungsgrad führen. Über die erfindungsgemäße Anpassung der Randkontur an die Verformung ist dies jedoch verhindert. Alternativ oder ergänzend kann die Schwenkwiege mit verringertem Materialeinsatz und damit insbesondere leichter gefertigt sein. Die daraus resultierende stärkere Durchbiegung wird wie vorbeschrieben über die angepasste Randkontur ausgeglichen. Die Ermittlung der Verformung, und in Abhängigkeit davon die Ermittlung der angepassten Randkontur, erfolgt bevorzugt über eine Simulation, beispielsweise mit Hilfe einer Finite-Elemente-Methode. Besonders bevorzugt ist der Leckagestrom etwa zu null minimiert.
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Das Gleitlager kann einteilig ausgebildet sein und somit nur eine Lagerschale aufweisen. Bevorzugt ist es jedoch zwei- oder mehrteilig ausgebildet und weist zumindest zwei, insbesondere genau zwei Lagerschalen auf.
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In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Axialkolbenmaschine ist zwischen dem Gleitlager und der Schwenkwiege zumindest ein weiteres hydrostatisches Druckfeld ausbildbar, das über eine Randkontur begrenzt ist, die ebenso derart an die Verformung angepasst ist, dass auch ein Leckagestrom aus diesem weiteren Druckfeld hinaus minimiert ist. Mit einer zunehmenden Zahl von Druckfeldern ist es möglich, die hydrostatische Entlastung gleichmäßiger auszugestalten.
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Insbesondere wenn das Gleitlager mehrteilig ausgebildet ist und zumindest zwei Lagerschalen aufweist, ist das weitere hydrostatische Druckfeld in einer bevorzugten Weiterbildung an einer anderen Lagerschale angeordnet als das erstgenannte. Alternativ dazu ist das weitere Druckfeld an der gleichen Lagerschale wie das erstgenannte angeordnet. Es ist auch möglich, dass an einer Lagerschale mehrere Druckfelder angeordnet sind.
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Im bestimmungsgemäßen Betrieb resultiert aus der Verformung eine Abhebegrenze, über die ein Kontaktbereich, in dem die Schwenkwiege am Gleitlager gelagert ist, von einem Frei- oder Abhebebereich, in dem die Schwenkwiege vom Gleitlager abgehoben ist, abgegrenzt ist. Da eine Leckage besonders groß ist, wenn die Randkontur von der Abhebegrenze geschnitten wird, und somit in den Freibereich hineinragt, ist die Randkontur in einer bevorzugten Weiterbildung an die Abhebegrenze angepasst, und ist vollumfänglich im Kontaktbereich angeordnet. Sie ragt also nicht in den Freibereich hinein.
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Bevorzugt weist die Randkontur einen Mindestabstand zur Abhebegrenze auf, der umso größer ist, je kleiner ein zulässiger Grenzwert des Leckagestroms vorgegeben ist. Der oberste Grenzwert ist dabei bei der Auslegung der Axialkolbenmaschine zu berücksichtigen. Der Mindestabstand wird auch durch die benötigte Größe des Druckfeldes beeinflusst.
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Die Leckage erfolgt vorwiegend in einem Bereich, in dem ein Abstand der Randkontur zur Abhebegrenze bedeutend kleiner ist als in anderen Bereichen. Selbst wenn ein überwiegender Bereich der Randkontur einen großen Abstand zur Abhebegrenze aufweist, erfolgt dann eine umfangreiche Leckage über den einen, gering beabstandeten Bereich. Daher ist die Randkontur in einer bevorzugten Weiterbildung derart an die Abhebegrenze angepasst, dass insbesondere im bestimmungsgemäßen Betrieb ein Abstand der Randkontur zur Abhebegrenze zumindest entlang eines Randkonturabschnitts im Wesentlichen konstant ist. Der Begriff der Konstanz ist dabei derart zu verstehen, dass der Abstand entlang des Randkonturabschnitts bevorzugt um höchstens ± 60%, besonders bevorzugt um höchstens ± 30 bis ±5% variiert.
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Ergänzend zur Anpassung über den Abstand ist es bevorzugt, wenn die Randkontur derart an die Abhebegrenze angepasst ist, dass insbesondere im bestimmungsgemäßen Betrieb ein Druckgradient von der Randkontur hin zur Abhebegrenze zumindest entlang eines Randkonturabschnitts im Wesentlichen konstant ist.
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Alternativ oder ergänzend dazu ist die Randkontur derart an die Abhebegrenze angepasst, dass insbesondere im bestimmungsgemäßen Betrieb eine Strömungsgeschwindigkeit eines Leckagestroms von der Randkontur hin zur Abhebegrenze zumindest entlang eines Randkonturabschnitts im Wesentlichen konstant ist. Auch für die Konstanz des Druckgradienten und der Strömungsgeschwindigkeit gilt, dass der entsprechende Wert entlang des Randkonturabschnitts bevorzugt um höchstens ± 60%, besonders bevorzugt um höchstens ± 30 bis ±5% variiert.
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Dabei ist der konvex gekrümmte Randkonturabschnitt derjenige, entlang dem der zuvor genannte Abstand und/oder der Druckgradient und/oder die Strömungsgeschwindigkeit etwa konstant sind.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist zudem ein benachbart zu einer zentralen Schwenkebene der Schwenkwiege angeordneter Randkonturabschnitt, beziehungsweise ein Innenabschnitt der Randkontur, zur Seitenfläche hin konvex gekrümmt. Damit ist die Randkontur daran angepasst, dass hin zur zentralen Schwenkebene ein Druck der Schwenkwiege auf das Gleitlager, und damit auch dessen Verformung, zunimmt. Durch die konvexe Form des Innenabschnitts ist entlang diesem eine Druckspannung vergleichmäßigt, so dass ein Verschleiß der Schwenkwiege und/oder des Gleitlagers in diesem Bereich verringert ist.
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Alternativ dazu ist ein benachbart zu einer zentralen Schwenkebene der Schwenkwiege angeordneter Randkonturabschnitt, beziehungsweise ein Innenabschnitt der Randkontur, überwiegend parallel zur zentralen Schwenkebene angeordnet. Diese Ausführungsform ist gegenüber der Letztgenannten vorrichtungstechnisch vereinfacht, da der Innenabschnitt nicht an die Abhebegrenze angepasst sein muss.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist der Innenabschnitt über einen Verbindungsabschnitt im Wesentlichen tangentenstetig mit dem Außenabschnitt verbunden.
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Um das Druckfeld eindeutig zu positionieren, ist in einer bevorzugten Weiterbildung das hydrostatische Druckfeld zumindest abschnittsweise in einer über die Randkontur begrenzten Entlastungsausnehmung der Schwenkwiege und/oder des Gleitlagers ausgebildet. Gegenüber herkömmlichen Entlastungsausnehmungen sind die erfindungsgemäß begrenzten Entlastungsausnehmungen mit vergleichbarem Aufwand fertigbar. Auch sie können beispielsweise bereits beim Gießen eines Rohteils der Schwenkwiege über eine entsprechend ausgebildete Gussform berücksichtigt sein. Eine Tiefe der Entlastungsausnehmung beträgt bevorzugt 0,1 bis 0,9 mm, besonders bevorzugt 0,5 bis 0,6 mm.
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Damit eine zur Gleitlagerung vorgesehene Lagerfläche möglichst groß ist, ist die Entlastungsausnehmung in einer bevorzugten Weiterbildung lediglich über eine entlang der Randkontur angeordnete Nut ausgebildet. Auf diese Weise ist über die Nut ein Lagerflächenabschnitt des Gleitlagers oder der Schwenkwiege umrandet.
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Alternativ dazu ist die Entlastungsausnehmung flächig gegen eine Lagerfläche des Gleitlagers oder der Schwenkwiege abgesenkt.
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Eine gute Anpassung an die Verformung ergibt sich, wenn die Randkontur einer bevorzugten Weiterbildung derart angepasst ist, dass eine Projektion oder eine Abwicklung der Randkontur in eine Ebene der Schrägfläche zumindest abschnittsweise etwa eine Form einer Sichel oder eines Ovalabschnitts oder eines Kreisabschnitts aufweist.
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Insbesondere wenn die Axialkolbenmaschine für einen Mehrquadrantenbetrieb vorgesehen ist und beispielsweise in zwei Drehrichtung und / oder im Motor- und im Pumpenbetrieb betreibbar ist, kann eine Anordnung derjenigen Seite der Schrägscheibe (Schwenkwiege), an der die mit Hochdruck beaufschlagten Kolben abgestützt sind, mit einer Änderung des Quadranten wechseln. Dann ist es von Vorteil, wenn über jedes der Druckfelder eine Entlastung höchster Stärke erzeugbar ist. Eine bevorzugte Weiterbildung weist daher Randkonturen auf, die im Wesentlichen symmetrisch zu einer Schwenkebene der Schwenkwiege ausgebildet sind, und/oder deren über die Randkonturen begrenzte Druckfelder etwa gleiche Größen aufweisen.
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Ist hingegen eine Anordnung einer Seite der Schrägscheibe, an welcher die mit Hochdruck beaufschlagten Kolben abgestützt sind, konstant, so muss nur über das auf dieser Seite angeordnete Druckfeld eine Entlastung maximaler Stärke erzeugbar sein. Eine bevorzugte Weiterbildung weist insbesondere in diesem Fall Randkonturen auf, die asymmetrisch zu einer Schwenkebene der Schwenkwiege ausgebildet sind, und/oder deren über die Randkonturen begrenzte Druckfelder unterschiedliche Größen aufweisen.
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In einer bevorzugten Weiterbildung ist ein größeres der hydrostatischen Druckfelder oder eine diesem zugeordnete Entlastungsausnehmung mit einem Hochdruck und ein kleineres der hydrostatischen Druckfelder oder eine diesem zugeordnete Entlastungsausnehmung mit einem Niederdruck verbindbar.
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In einer besonders flexiblen, insbesondere für den Mehrquadrantenbetrieb vorgesehenen Weiterbildung, ist ein hydrostatisches Druckfeld je nach Betrieb mit Hochdruck oder mit Niederdruck verbindbar.
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Eine Schwenkwiege für eine in Schrägscheibenbauweise ausgestaltete, verstellbare hydraulische Axialkolbenmaschine, weist eine Schrägfläche zur Abstützung von Kolben einer Mehrzahl von Zylinder-Kolben-Einheiten auf und hat zumindest eine, insbesondere teilzylindrische Lagerfläche, über die sie an einem insbesondere gehäusefesten Gleitlager der Axialkolbenmaschine schwenkbar lagerbar ist. Dabei ist in der zumindest einen Lagerfläche zumindest eine über eine Randkontur begrenzte Entlastungsausnehmung ausgebildet, in der ein hydrostatisches Druckfeld ausbildbar ist. Erfindungsgemäß ist die Randkontur derart an eine aus einem bestimmungsgemäßen Betrieb der Axialkolbenmaschine resultierende Verformung der Schwenkwiege und/oder des Gleitlagers angepasst, dass ein Leckagestrom aus dem hydrostatischen Druckfeld heraus minimierbar ist.
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Eine Weiterbildung der Schwenkwiege weist bevorzugt eine weitere Lagerfläche auf, in der ebenso eine über eine Randkontur begrenzte und erfindungsgemäß angepasste Entlastungsausnehmung ausgebildet ist.
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Die Randkontur ist an die aus der Verformung resultierende, vorbeschriebene Abhebegrenze angepasst. Die Radkontur ist dabei über den etwa konstanten Abstand zur Abhebegrenze angepasst. Besonders bevorzugt ist sie dabei gemäß der vorangegangenen Beschreibung über den etwa konstanten Druckgradienten von der Randkontur hin zur Abhebegrenze und/oder über die etwa konstante Strömungsgeschwindigkeit des Leckagestroms von der Randkontur hin zur Abhebegrenze angepasst.
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Ein benachbart zu einer Seitenfläche der Schwenkwiege angeordneter Randkonturabschnitt der Randkontur gemäß der vorangegangenen Beschreibung zur Seitenfläche hin ist konvex gekrümmt. Ebenso ist dies bevorzugt ein benachbart zu einer zentralen Schwenkebene der Schwenkwiege angeordneter Randkonturabschnitt. Alternativ ist dieser gemäß der vorangegangenen Beschreibung überwiegend parallel zur zentralen Schwenkebene angeordnet.
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Die Entlastungsausnehmung ist bevorzugt wie vorbeschrieben als Nut oder flächig gegen die Lagerfläche der Schwenkwiege abgesenkt ausgebildet.
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Besonders bevorzugte geometrische Formen von Weiterbildungen der Entlastungsausnehmung sind gemäß der vorangegangenen Beschreibung über die Sichel, den Ovalabschnitt oder den Kreisabschnitt.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der Schwenkwiege weist gemäß der vorangegangenen Beschreibung zueinander symmetrische Randkonturen und/oder etwa gleich große Druckfelder auf oder sie weist zueinander asymmetrische Randkonturen und/oder Druckfelder unterschiedlicher Größe auf.
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Das größere der Druckfelder ist bevorzugt mit einem Hockdruck und das kleinere mit einem Niederdruck verbindbar. Alternativ dazu ist das hydrostatische Druckfeld sowohl mit einem Hochdruck als auch mit einem Niederdruck verbindbar.
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Ein Gleitlager für eine Schwenkwiege einer verstellbaren, in Schrägscheibenbauweise ausgestalteten hydraulischen Axialkolbenmaschine hat zumindest eine insbesondere hohl- und teilzylindrische Lagerfläche, über die die Schwenkwiege in einem Gehäuse der Maschine schwenkbar lagerbar ist. Dabei ist in der zumindest einen Lagerfläche zumindest eine über eine Randkontur begrenzte Entlastungsausnehmung ausgebildet, in der ein hydrostatisches Druckfeld ausbildbar ist. Erfindungsgemäß ist die Randkontur derart an eine aus einem bestimmungsgemäßen Betrieb der Axialkolbenmaschine resultierende Verformung der Schwenkwiege und/oder des Gleitlagers angepasst, dass ein Leckagestrom aus dem hydrostatischen Druckfeld heraus minimierbar ist.
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Es sind dabei die gleichen Weiterbildungen der Randkontur und/oder der Entlastungsausnehmung möglich, wie sie in der vorangegangenen Beschreibung bereits erläutert wurden.
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Im Folgenden werden ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine und drei Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Schwenkwiegen anhand von sieben Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Ausführungsbeispiel einer Axialkolbenmaschine in einem Längsschnitt A-A;
- 2 das Ausführungsbeispiel gemäß 1 in einem um 90° gedrehten Längsschnitt B-B;
- 3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Schwenkwiege gemäß den 1 und 2 in einer frei geschnittenen, perspektivischen Darstellung;
- 4 eine stark schematisierte Darstellung eines Querschnitts C-C der Schwenkwiege gemäß 3 in belastetem Zustand;
- 5 ein Diagramm der Verformung der Schwenkwiege gemäß den 3 und 4;
- 6 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Schwenkwiege; und
- 7 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Schwenkwiege.
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1 zeigt eine verstellbare Axialkolbenmaschine 1 in Schrägscheibenbauweise. Die Axialkolbenmaschine 1 hat einen topfförmigen Gehäuseteil 2, der von einem Gehäusedeckel 4 verschlossen ist. Im Gehäuseteil 2 und im Gehäusedeckel 4 ist eine Triebwelle 6 über Wälzlager 8 und 10 um eine Drehachse 12 drehbar gelagert. In einer drehfest mit der Triebwelle 6 verbundenen Zylindertrommel 14 sind eine Vielzahl von Kolben 16, zum Beispiel neun Kolben, in einer entsprechenden Vielzahl von Zylinderbohrungen 18 axial verschieblich aufgenommen. Jeder Kolben 16 weist dabei einen Kolbenkopf auf, der in einem Gleitschuh 20 eingefasst ist, der wiederum an einer Schrägfläche 22 einer Schwenkwiege 24 abgestützt ist. Die Schwenkwiege 24 ist über teilzylindrische Lagerflächen 26, 27 an einem hohlzylindrischen Gleitlager, das zwei Lagerschalen 28a und 28b aufweist, schwenkbar gelagert.
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Im bestimmungsgemäßen Betrieb des ersten Ausführungsbeispiels der Axialkolbenmaschine 1 mit etwa 400bar lasten auf der Schwenkwiege 24, und damit auf den Lagerschalen 28a und 28b, vorwiegend Abstützkräfte der Kolben 16. Um einen Verschleiß des Gleitlagers 28 und der Lagerflächen 26, 27 der Schwenkwiege 24 zu minimieren, und um eine Verstellung der Schwenkwiege 24 auch bei diesem großen Arbeitsdruck zu ermöglichen, weisen die Lagerflächen 26, 27 zu den Lagerschalen 28a, 28b weisende hydrostatische Entlastungsausnehmungen 30a, 30b auf. Diese sind erfindungsgemäß an eine im bestimmungsgemäßen Betrieb auftretende Verformung der Schwenkwiege 24 und des Gleitlagers 28 angepasst. Die Anpassung wird eingehender anhand der folgenden 3 bis 7 erläutert.
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2 zeigt die Axialkolbenmaschine 1 gemäß 1 in einem Schnitt B-B wie er in 1 definiert ist. In dieser Ansicht sind zusätzlich eine Stellvorrichtung 32 und eine Rückstellvorrichtung 34 sichtbar. Über ein Zusammenwirken der beiden Vorrichtungen 32, 34 ist ein Schwenkwinkel α der Schwenkwiege 24 gegen die Drehachse 12 einstellbar.
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Weitere Erläuterungen zum tieferen Verständnis des Aufbaus und der Funktionsweise der Axialkolbenmaschine 1 sind mit Hinblick auf die Erfindung entbehrlich, insbesondere da verstellbare Axialkolbenmaschinen in Schrägscheibenbauweise hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt sind. Zum Zwecke der Offenbarung wird an dieser Stelle auf die Offenlegungsschrift
DE 100 17 780 A1 verwiesen, in der der weitere Aufbau und insbesondere die Stellvorrichtung 32 und die Rückstellvorrichtung 34 der Axialkolbenmaschine 1, sowie eine Druckmittelversorgung der Entlastungsausnehmungen 30a, 30b über die Stellvorrichtung 32 beschrieben sind.
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3 zeigt die Schwenkwiege 24 gemäß den 1 und 2 in einer freigeschnittenen Darstellung. Das heißt, dass vom Gehäuseteil 2 gemäß 1 und 2 lediglich Lagerböcke beziehungsweise Lageraufnahmen dargestellt sind. Die Schwenkwiege 24 weist zwei Anlenkpunkte auf, von denen ein erster Anlenkpunkt 36 zur Aufnahme einer Stellkraft Fst der Stellvorrichtung (32, 2) und ein zweiter Anlenkpunkt 38 zur Aufnahme der entgegengesetzt wirkenden Rückstellkraft -Fst der Rückstellvorrichtung (34, 2) vorgesehen ist. Die Schwenkwiege 24 ist gemäß 3 in Nulllage mit einem Schwenkwinkel α gemäß 2 von 0° dargestellt. Weiterhin gut zu erkennen ist die Schrägfläche 22, an der Abstützkräfte FK von fünf mit Hochdruck beaufschlagten Kolben (vgl. 16, 1 und 2) durch Pfeile symbolisiert dargestellt sind. Auf eine Darstellung der Kolbenkräfte der restlichen mit Niederdruck beaufschlagten Kolben wird aus Gründen der Übersicht in 3 verzichtet. Die Schwenkwiege 24 ist bezüglich einer zentralen Schwenkebene 40 symmetrisch ausgebildet. Beidseitig der Schwenkebene 40 sind Seitenflächen 42, 44 angeordnet. Mit ihren teilzylindrischen Lagerflächen 26, 27 ist die Schwenkwiege 24 in den Lagerschalen 28a, 28b gleitend, schwenkbar gelagert. Die Lagerflächen 26, 27 erstrecken sich etwa in einer Richtung senkrecht zur zentralen Schwenkebene 40.
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Die folgenden Erläuterungen zur Verformung erfolgen anhand der Lagerfläche 26 in 3 rechts und gelten qualitativ ebenso für die Lagerfläche 27. Eine Breite S der Lagerfläche 26 ist in 3 mittels einer am Scheitel der Lagerfläche 26 angeordneten gestrichelten Linie dargestellt. Die Breite S beginnt dabei bei s = 0mm und endet bei s = 17,2mm an der Seitenfläche 44. Die Lagerfläche 26 liegt somit maximal mit einer Breite von 17,2mm in der Lagerschale 28b auf. In 3 symbolisiert ein dicker Pfeil eine aus allen an der Schwenkwiege 24 angreifenden Kräften resultierende Kraft.
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Diese ist auch in 4, in der ein Querschnitt C-C gemäß 3 dargestellt ist, durch den Pfeil symbolisiert. In 4 ist die unverformte Schwenkwiege 24 aus Gründen der einfacheren Darstellung stark schematisiert als ein flaches gestricheltes Rechteck dargestellt. In verformtem Zustand ist sie stark schematisiert hingegen als Schwenkwiege 24' gezeigt. Parallel zur zentralen Schwenkebene 40 erstreckt sich von z=0 hin zur Schrägfläche 22 eine positive Z-Achse. Auf eine Darstellung der Entlastungsausnehmungen wird verzichtet. Die Verschiebung z=0 stellt dabei ein Referenzniveau dar, auf dem die Lagerflächen 26, 27 der Schwenkwiege 24 im lastfreien Zustand angeordnet sind. Gut zu erkennen ist, dass die Schwenkwiege 24 unter Einwirkung der Kräfte gemäß 3 zur Schwenkwiege 24' verformt wird. Beschränkt man sich bei der Betrachtung auf den Bereich der Lagerschale 28b in 4 rechts, so ist gut zu erkennen, dass die Lagerfläche 26 der Schwenkwiege 24 in einem Kontaktbereich 46 an der Lagerschale 28b anliegt, wohingegen sie jenseits einer Abhebegrenze G, die bei einer Breite s = SA liegt, in einem Freibereich 48 bereits von der Lagerschale 28b abgehoben ist. Ähnliches gilt für die Schwenkwiege 24' im Bereich der Lagerschale 28a.
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5 zeigt diesen Sachverhalt in einer graphischen Darstellung. Im Diagramm ist über der Breite s zwischen den Werten s = 0 und s = 17,2 die Durchbiegung bzw. Verschiebung z der Schwenkwiege 24' gemäß 4 aufgetragen. Das gestrichelte Referenzniveau gemäß 4 wird im Diagramm gemäß 5 ebenso durch eine gestrichelte Linie bei z=0 repräsentiert. Für Werte für von s > SA (etwa >14, 5) ist der Wert der Verschiebung z positiv, für Werte von s < SA ist er negativ. Der erstgenannte Bereich ist in 5 mit einer Kreuzschraffur versehen und repräsentiert den Freibereich 48 gemäß 4, in dem die verformte Schwenkwiege 24' von der Lagerschale 28b des Gleitlagers 28 abgehoben ist. Der letztgenannte Bereich ist in 5 schraffiert dargestellt und repräsentiert den Kontaktbereich 46 gemäß 4, in dem die verformte Schwenkwiege 24' an der Lagerschale 28b gelagert ist.
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Die Randkonturen der Entlastungsausnehmungen aller Ausführungsbeispiele sind vollumfänglich im Kontaktbereich angeordnet, so dass eine Leckage aus dem zugeordneten hydrostatischen Druckfeld hinaus minimiert oder möglichst verhindert ist.
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Die folgenden 6 und 7 zeigen ein zweites und drittes Ausführungsbeispiel einer Schwenkwiege 124 und 224 in einer perspektivischen Ansicht der Lagerflächenseite. Bis auf die Ausgestaltung ihrer Entlastungsausnehmungen, die im Folgenden noch eingehender beschrieben werden, sind die beiden Schwenkwiegen 124 und 224 identisch ausgeführt. Dabei ist die Schwenkwiege 124 gemäß 6 voll symmetrisch zur zentralen Schwenkebene 40 und die Schwenkwiege 224 gemäß 7 bis auf ihre Entlastungsausnehmungen vollsymmetrisch zur zentralen Schwenkebene 40 ausgebildet.
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Die Schrägfläche der Schwenkwiege 124; 224, an der im montierten Zustand der Schwenkwiege 124; 224 die Kolben 16 abgestützt sind, ist vom Betrachter abgewandt und nicht sichtbar. Die Schwenkwiege 124; 224 weist einen sich entlang der zentralen Schwenkebene 40 erstreckenden Korpus 50 auf, an dem eine zentrale Durchgangsausnehmung 52 ausgebildet ist. Diese ist von einer Triebwelle durchsetzbar, wie es in den 1 und 2 beispielhaft gezeigt ist. Die Durchgangsausnehmung 52 ist über Erweiterungsflächen 54 radial gegen die Drehachse 12 erweitert, so dass die Schwenkwiege 124; 224 gegen die Drehachse 12 verschwenkbar ist, ohne dass die Triebwelle an der Schwenkwiege 124; 224 anschlägt.
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Seitlich am Korpus 50 weist die Schwenkwiege 124; 224 Schultern 56, 58 auf, die sich im Wesentlichen entlang einer normal zur zentralen Schwenkebene 40 angeordneten Querachse 60, beidseitig der Schwenkebene 40 und symmetrisch zu dieser erstrecken. An einem korpusnahen Endabschnitt der Schultern 56, 58 weisen diese jeweils einen Bund 62, 64 auf, der gegen eine teilkreiszylindrische, an der Schulter 56, 58 angeordnete Lagerfläche 126, 127; 226, 227 radial erweitert ist.
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Gemäß 6 weist das zweite Ausführungsbeispiel der Schwenkwiege 124 zwei symmetrisch zur zentralen Schwenkebene 40 ausgebildete Entlastungsausnehmungen 130 auf. In 6 gut zu erkennen sind ebenfalls die gestrichelt dargestellten Abhebegrenzen G, die die Lagerflächen 126, 127 jeweils in einen benachbart zum Korpus 50 angeordneten Kontaktbereich 146 und einen Freibereich 148 unterteilen. Die Entlastungsausnehmungen 130 sind dabei über eine Randkontur 150 begrenzt. Diese ist erfindungsgemäß an die Abhebegrenze G angepasst, wobei sich jeweils ein äußerer Randkonturabschnitt, der hin zur Seitenfläche 42, 44 konvex ausgestaltet ist, im Wesentlichen parallel zur Abhebegrenze G erstreckt. Anders ausgedrückt ist ein Abstand d vom Randkonturabschnitt hin zur Abhebegrenze G entlang des Randkonturabschnitts im Wesentlichen konstant. Ein innerer Randkonturabschnitt der Randkontur 150, der benachbart zur zentralen Schwenkebene 40 angeordnet ist, ist bezüglich der zentralen Schwenkebene 40 nicht konvex ausgebildet, sondern verläuft etwa parallel zu dieser. Auf diese Weise ergibt sich in der Ebene der Schrägfläche für die Entlastungsausnehmungen 130 etwa die Form eines verrundeten Kreisabschnitts. Mittig in den Entlastungsausnehmungen 130 ist jeweils eine Versorgungsbohrung 152 angeordnet, über die die Entlastungsausnehmung 130 mit Druckmittel beaufschlagbar ist. Die Druckmittelversorgung der Entlastungsausnehmungen 130 kann dabei beispielsweise über die Stellvorrichtung 32 gemäß 2 und einen den Korpus 50 durchsetzenden Druckmittelkanal, von dem in 6 lediglich eine Mündung 154 dargestellt ist, erfolgen. Der Druckmittelkanal verzweigt sich in diesem Ausführungsbeispiel im Korpus 50 hin zu beiden Versorgungsbohrungen 152. Eine Druckmittelversorgung der Entlastungsausnehmungen 130 ist alternativ auch durch das Gehäuseteil 2 und die Lagerschalen möglich.
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Die Schwenkwiege 224 gemäß 7 unterscheidet sich von der Schwenkwiege 124 gemäß 6 lediglich in der Ausbildung der Abhebegrenzen G, von Entlastungsausnehmungen 230, 231 und von Versorgungsbohrungen 252, 253. Die Entlastungsausnehmungen 130 gemäß 6 sind zur zentralen Schwenkebene 40 symmetrisch ausgebildet, da die Schwenkwiege 124 für einen Mehrquadrantenbetrieb vorgesehen ist, in dem eine Anordnung derjenigen Seite, an dem die mit Hochdruck beaufschlagten Kolben 16 abgestützt sind, in Abhängigkeit des Betriebsquadranten wechseln kann. Für die Schwenkwiege 224 gemäß 7 ist dieser Mehrquadrantenbetrieb nicht vorgesehen. Daher ist die Hochdruckseite immer auf der gleichen Seite der Schwenkwiege 224, in diesem Falle benachbart zur Seitenfläche 44 angeordnet. Aus diesem Grunde kann die Entlastungsausnehmung 230 kleiner als die Entlastungsausnehmung 231 ausgebildet sein.
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Eine Randkontur 251 der Entlastungsausnehmung 231 ist sowohl mit einem zur Seitenfläche 44 benachbarten, äußeren Randkonturabschnitt als auch mit einem zum Korpus 50 benachbarten, inneren Randkonturabschnitt konvex zur Seitenfläche 44 hin gekrümmt. Für die Randkontur 251 ergibt sich daraus eine etwa nierenförmige Form. Ähnliches gilt für eine Randkontur 252 der Entlastungsausnehmung 230, die aufgrund der Anordnung auf der Niederdruckseite der Schwenkwiege 224 jedoch bedeutend kleiner als die Entlastungsausnehmung 231 ausgebildet ist. Auch die Lagerflächen 226, 227 der Schwenkwiege 224 sind über eine Abhebegrenze G in einen Kontaktbereich 246, 247 und einen Freibereich 248, 249 unterteilt. Dabei gilt auch für die Entlastungsausnehmungen 230, 231, dass ein zur Seitenfläche 42, 44 benachbarter äußerer Randkonturabschnitt einen etwa konstanten Abstand d zur Abhebegrenze G aufweist. Erst in einem Bereich jenseits einer maximalen Längserstreckung der Entlastungsausnehmungen 230, 231 ist dieser Abstand d maßgeblich vergrößert. Auch die Entlastungsausnehmungen 230 und 231 weisen jeweils eine Versorgungsbohrung 252, 253 auf, die analog zum Ausführungsbeispiel gemäß 6 über die Mündung 154 mit Druckmittel beaufschlagbar sind.
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Abweichend von den beiden gezeigten Ausführungsbeispielen gemäß 6 und 7 können die grundlegenden formgebenden Merkmale der Randkonturen - groß oder klein, symmetrisch oder asymmetrisch, Sichel oder Kreisabschnitt oder Ovalabschnitt, konvexer Innenabschnitt oder im Wesentlichen linearer Innenabschnitt - beliebig miteinander kombiniert sein, um die Randkonturen der Druckfelder optimal an die zu erwartende Verformung der Schwenkwiege und/oder des Gleitlagers anzupassen, so dass der Leckagestrom vom Druckfeld ins Gehäuse minimiert ist.
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Abweichend von den beiden gezeigten Ausführungsbeispielen kann die Entlastungsausnehmung auch im Gleitlager, beziehungsweise in deren Lagerschale ausgebildet sein.
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Offenbart ist eine Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise mit einer an einem gehäusefesten Gleitlager schwenkbar gelagerten Schwenkwiege. Zur hydrostatischen Entlastung der Lagerung ist zwischen dem Gleitlager und der Schwenkwiege zumindest ein hydrostatisches Druckfeld ausbildbar, das über eine Randkontur begrenzt ist. Dabei ist die Randkontur derart an eine betriebsbedingte Verformung der Schwenkwiege und / oder des Gleitlagers angepasst, dass ein Leckagestrom aus dem Druckfeld hinaus minimiert ist. Für eine derartige Axialkolbenmaschine ist weiterhin offenbart: Eine Schwenkwiege mit einer Entlastungsausnehmung, die über eine derart angepasste Randkontur begrenzt ist und ein Gleitlager mit einer Entlastungsausnehmung, die über eine derart angepasste Randkontur begrenzt ist.
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Die Erfindung ist an Hydropumpen und Hydromotoren in allen stationären und mobilen Anwendungen zu verwirklichen. Insbesondere ist sie auch in sogenannten Hybridfahrzeugen, zum Beispiel in einem Personenkraftwagen, mit einem Verbrennungsmotor und einem hydraulischen Antriebsstrang inklusive Hydropumpe, Hydrospeicher und einem oder mehreren Hydromotoren zwischen dem Verbrennungsmotor und einer Achse einsetzbar. Hydropumpe und Hydromotor sind dann erfindungsgemäß ausgebildet.
