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Die Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Aus der
CH 206998 A ist eine Axialkolbenmaschine in Schrägachsenbauweise bekannt. Wenn diese Axialkolbenmaschine als Pumpe betrieben wird, wird deren Antriebswelle, beispielsweise mit einem Elektromotor, in Drehbewegung versetzt, wodurch Druckfluid, insbesondere Hydrauliköl, gefördert wird. Wenn die Axialkolbenmaschine als Motor betrieben wird, wird Druckfluid und Druck zugeführt, wodurch sich die Antriebswelle in Drehbewegung versetzt.
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Die Antriebswelle ist in einem Gehäuse bezüglich einer ersten Drehachse drehbar gelagert. In dem Gehäuse ist eine Zylindertrommel angeordnet, die bezüglich einer zweiten Drehachse drehbar ist, welche die erste Drehachse schneidet. Der Winkel zwischen der ersten und der zweiten Drehachse kann fest vorgegeben oder verstellbar sein. In der Zylindertrommel ist ein gesonderter Lagerkörper aufgenommen, der bezüglich der zweiten Drehachse gegenüber der Zylindertrommel drehbar ist. Der Lagerkörper ist über ein erstes Kugelgelenk mit der Antriebswelle verbunden, dessen Gelenkmittelpunkt auf der ersten Drehachse liegt. Die Zylindertrommel weist mehrere kreiszylindrische Zylinderbohrungen auf, die mit konstantem Abstand parallel zur zweiten Drehachse angeordnet sind. In der Zylinderbohrung ist jeweils ein langgestreckter Kolben linearbeweglich aufgenommen, wobei ein erstes Ende des Kolbens mit der Antriebswelle über ein zweites Kugelgelenk verbunden ist.
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Die Drehmitnahme zwischen der Antriebswelle und der Zylindertrommel wird über die Kolben vermittelt. Die Kolben, insbesondere deren gesonderte Kolbenstangen, sind hierfür mit einem kreiskegelförmigen Abschnitt versehen, so dass die Kolbenstangen gegenüber der zugeordneten Zylinderbohrung etwas verkippt werden können. Die Antriebswelle kann damit gegenüber der Zylindertrommel um wenige Winkelgrade hin- und herbewegt werden, so lange, bis eine Kolbenstange mittelbar an der Zylinderbohrung anliegt, so dass es zu einer Drehmitnahme zwischen Antriebswelle und Zylindertrommel kommt.
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Der Nachteil dieser Drehmitnahme besteht darin, dass die Zylinderbohrung durch die Mitnahmekräfte übermäßig verschlissen wird. Dieses Problem ist besonders gravierend, wenn die Zylindertrommel aus Gusseisen besteht.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Drehmitnahmekräfte zwischen der Antriebswelle und der Zylindertrommel zu minimieren, dass der Verschleiß bzw. der Abrieb an der Zylinderbohrung sinkt.
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Gemäß dem selbständigen Anspruch wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die wenigstens eine Zylinderbohrung geneigt zur zweiten Drehachse angeordnet ist. Im Stand der Technik ist die Zylinderbohrung ausnahmslos parallel zur zweiten Drehachse angeordnet, obgleich derartige Axialkolbenmaschinen bereits seit über 70 Jahren bekannt sind. Die Erfinder mussten daher ein Vorurteil überwinden, um zu der vorgeschlagenen Lösung zu gelangen. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass bereits sehr kleine Neigungswinkel zu einer erheblichen Reduzierung der Drehmitnahmekräfte führen. Dies war für den Fachmann nicht zu erwarten.
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In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung angegeben.
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Der Neigungswinkel zwischen der zweiten Drehachse und der wenigstens einen Zylinderbohrung kann zwischen 0,4° und 3° betragen und vorzugsweise zwischen 0,6° und 1,2° betragen. Die Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass sich gerade in diesen Neigungswinkeln die optimalen Berührverhältnisse zwischen dem Kolben und der Zylinderbohrung ergeben. Insbesondere ist die Kraft im Berührpunkt zwischen dem Kolben und der Zylinderbohrung nahezu exakt tangential ausgerichtet.
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Die genannte Kraft weist praktisch keine Radialkomponente auf, die nur eine erhöhte Belastung der Zylinderbohrung verursacht, ohne dass das übertragene Drehmoment steigt.
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Die Mittelachse der Zylinderbohrung kann die zweite Drehachse auf der von der Antriebswelle abgewandten Seite der Zylindertrommel schneiden. Nur bei dieser Neigungsrichtung der Zylinderbohrung ergibt sich die gewünschte Minimierung der Drehmitnahmekräfte, nicht aber bei der entgegengesetzten Neigungsrichtung.
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Es können mehrere Zylinderbohrungen vorgesehen sein, die alle mit dem gleichen Neigungswinkel geneigt zur zweiten Drehachse angeordnet sind. Vorzugsweise ist daran gedacht, die Zylinderbohrungen rotationssymmetrisch bezüglich der zweiten Drehachse anzuordnen. Hierdurch ergibt sich eine besonders hohe Laufruhe der Axialkolbenmaschine.
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Der Kolben kann einen kreiskegelförmigen Abschnitt aufweisen, der sich zum ersten Ende des Kolbens hin derart verjüngt, dass er in wenigstens einer Drehstellung der Antriebswelle, zumindest mittelbar, linienförmig an der zugeordneten Zylinderbohrung abgestützt ist. Vorzugsweise ist daran gedacht, dass der kreiskegelförmige Abschnitt die Zylinderbohrung unmittelbar linienförmig berührt. Durch die linienförmige Abstützung des kreiskegelförmigen Abschnitts wird die Drehmitnahmekraft auf eine größere Fläche verteilt, so dass die Flächenpressung sinkt. Folglich sinkt auch der Verschleiß an der Zylinderbohrung.
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Der Kolben kann einen einstückigen Grundkörper aufweisen, der am ersten Ende einen Kugelkopf des zweiten Kugelgelenks aufweist, wobei er am gegenüberliegenden zweiten Ende unmittelbar an der zugeordneten Zylinderbohrung anliegt. Ein derartiger Kolben ist erheblich kostengünstiger als der bekannte Kolben mit einer gesonderten Kolbenstange. Vorzugsweise ist der Grundkörper am zweiten Ende mit wenigstens einem Kolbenring versehen, um die Abdichtung zwischen dem Kolben und der Zylinderbohrung zu verbessern.
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Der kreiskegelförmige Abschnitt kann am Grundkörper vorgesehen sein. Ein derartiger Kolben ist besonders kostengünstig.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es stellt dar:
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1 einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine;
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2 einen Längsschnitt der Zylindertrommel mit einem Kolben;
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3 eine Schnittansicht gemäß der Linie A-A in 2; und
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4 eine der 3 entsprechende Schnittansicht, wobei die Zylinderbohrung entgegen der Erfindung parallel zur zweiten Drehachse ausgerichtet ist.
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1 zeigt einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine 10. Die Axialkolbenmaschine 10 umfasst ein Gehäuse 20, in dem eine Antriebswelle 40 bezüglich einer ersten Drehachse 41 drehbar gelagert ist. Hierfür ist zwischen der Antriebswelle 40 und dem Gehäuse 20 ein erstes Drehlager 42 in Form eines Zylinderrollenlagers und ein zweites Drehlager 43 in Form eines Kegelrollenlagers eingebaut. Die Antriebswelle 40 ragt mit einem Antriebszapfen 44 aus dem Gehäuse 20 heraus, der beispielsweise ein Vielkeilwellenprofil aufweisen kann. Im Bereich des Antriebszapfens 44 ist zwischen der Antriebswelle 40 und dem Gehäuse 20 ein Radialwellendichtring 45 angeordnet, damit dort kein Druckfluid, insbesondere kein Hydrauliköl, aus der Axialkolbenmaschine 10 austreten kann.
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An dem dem Antriebszapfen 44 gegenüberliegenden Ende weist die Antriebswelle 40 einen Flansch 46 auf. Dort ist die Antriebswelle 40 mit mehreren Kolben 80 verbunden und zwar jeweils mittels eines zugeordneten zweiten Kugelgelenks 84. Die zweiten Kugelgelenke 84 sind dabei mit Abstand zur ersten Drehachse 41 angeordnet.
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Weiter ist eine Zylindertrommel 60 vorgesehen, die für jeden Kolben 80 eine kreiszylindrische Zylinderbohrung 62 aufweist. Die Zylindertrommel 60 besteht vorzugsweise aus Gusseisen, insbesondere aus den Werkstofftypen EN-GJS-400-15, EN-GJS-400-18, EN-GJS-500-7 und EN-GJS-600-3. Die der Antriebswelle 40 abgewandte Stirnfläche 63 der Zylindertrommel ist kugelförmig konkav gewölbt, wobei sie auf einer angepassten ersten Stirnfläche 31 einer Steuerscheibe 30 aufliegt. Dieser Eingriff zwischen der Zylindertrommel 60 und der Steuerscheibe 30 bildet ein hydrostatisches Gleitlager, über welches die Zylindertrommel 60 bezüglich einer zweiten Drehachse 61 drehbar gelagert ist. Die zweite Drehachse 61 wird durch einen gesonderten Lagerkörper 64 definiert, welcher mittels eines ersten Kugelgelenks 65 in den Flansch 46 der Antriebswelle 40 eingreift. Der Gelenkmittelpunkt des ersten Kugelgelenks 65 ist dabei in dem Schnittpunkt der ersten und der zweiten Drehachse 41; 61 angeordnet. Der Lagerkörper 64 greift mit einem kreiszylindrischen Abschnitt in eine angepasste kreiszylindrische Bohrung in der Zylindertrommel 60 ein, die konzentrisch bezüglich der zweiten Drehachse 61 angeordnet ist. Der Lagerkörper 64 ist daher bezüglich der zweiten Drehachse verschiebbar und drehbar bezüglich der Zylindertrommel 60. Zwischen dem Lagerkörper 64 und der Zylindertrommel 60 ist eine Feder 66, insbesondere eine Schraubenfeder, unter Vorspannung eingebaut, so dass die Zylindertrommel 60 gegen die Steuerscheibe 30 gedrückt wird.
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Die zweite Stirnfläche 32 der Steuerscheibe 30 ist bezüglich dem Schnittpunkt der ersten und der zweiten Drehachse 41; 61 kreiszylinderförmig konvex ausgebildet und liegt an einer angepassten Kreiszylinderfläche an der Abschlussplatte 25 des Gehäuses 20 an. Die zweite Drehachse 61 der Zylindertrommel 60 kann daher gegenüber der ersten Drehachse 41 verschwenkt werden. Hierfür ist eine Verstellvorrichtung 21 am Gehäuse 20 vorgesehen, die beispielsweise hydraulisch betätigt werden kann. Die Verstellvorrichtung 21 weist einen beweglichen Mitnehmer 24 auf, der in die Steuerscheibe 30 eingreift, so dass er diese bezüglich des Gehäuses 20 verschieben kann. Der Bewegungsweg der Steuerscheibe 30 wird dabei durch einen ersten und einen zweiten Endanschlag 22; 23 begrenzt, die in Form von Schraubbolzen ausgebildet sind, welche in das Gehäuse 20 eingeschraubt sind. Je größer der Winkel zwischen der ersten und der zweiten Drehachse 41; 61 ist desto größer ist das Verdrängungsvolumen, also die Summe der Hubvolumen aller Kolben 80, der Axialkolbenmaschine 10.
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Die Neigung der Zylinderbohrung 62 gegenüber der zweiten Drehachse 61 ist so klein, dass sie in 1 nicht erkennbar ist.
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2 zeigt einen Längsschnitt der Zylindertrommel 60 mit einem einzigen Kolben 80. Der Kolben 80 umfasst einen einstückigen Grundkörper 87, der aus Stahl besteht. Am ersten Ende 82 des Kolbens ist der Kugelkopf 85 des zweiten Kugelgelenks vorgesehen, wobei der entsprechende Kugelmittelpunkt auf der Mittelachse 81 des Kolbens 80 liegt. An den Kugelkopf 85 schließt sich ein bezüglich der Mittelachse 81 kreiskegelförmiger Abschnitt 86 an, der sich zum ersten Ende 82 hin verjüngt. An dem dem ersten Ende 82 gegenüberliegenden zweiten Ende 83 weist der Kolben einen kugelförmigen Abschnitt 88 auf, mit dem er an der kreiszylindrischen Zylinderbohrung 62 anliegt. Der Spalt zwischen dem kugelförmigen Abschnitt 88 und der Zylinderbohrung 62 ist so eng ausgelegt, dass dort nahezu kein Druckfluid durchtreten kann. Zur Verbesserung der Abdichtung können im Bereich des kugelförmigen Abschnitts 88 gesonderte (nicht dargestellte) Kolbenringe am Grundkörper 87 angebracht sein. Der kreiskegelförmige Abschnitt 86 geht absatz- und knickfrei in den kugelförmigen Abschnitt 88 über. Am zweiten Ende 83 weist der Kolben 80 eine ebene Stirnfläche auf, die senkrecht zur Mittelachse 81 ausgerichtet ist.
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Die Zylindertrommel 60 ist beispielsweise mit neun kreiszylindrischen Zylinderbohrungen 62 versehen, von denen in 2 nur eine zu sehen ist. Eine ungerade Anzahl an Zylinderbohrungen 62 ist bevorzugt. Die Mittelachse 68 der Zylinderbohrung 62 schneidet die zweite Drehachse 61 auf der Seite der Zylindertrommel 60, die von der Antriebswelle abgewandt ist, in 2 also auf der rechten Seite der Zylindertrommel 60. Der Neigungswinkel 67 zwischen der Mittelachse der Zylinderbohrung 62 und der zweiten Drehachse 61 liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,4° und 3° und beträgt beispielsweise 0,6° oder 1,2°. Der Neigungswinkel 67 ist dabei vorzugsweise so ausgewählt, dass sich die mit Bezug auf 3 erläuterten Berührverhältnisse zwischen dem kreiskegelförmigen Abschnitt 86 des Kolbens 80 und der Zylinderbohrung 62 ergeben. In 2 ist der Neigungswinkel 67 der besseren Sichtbarkeit halber übertrieben dargestellt.
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3 zeigt eine Schnittansicht gemäß der Linie A-A in 2. Die Schnittebene wird durch eine ebene Stirnfläche der Zylindertrommel 60 definiert, welche der Antriebswelle zugewandt ist. Diese Stirnfläche und damit die Schnittebene sind senkrecht zur zweiten Drehachse 61 ausgerichtet.
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Die Zylinderbohrungen 62 sind mit dem gleichen Abstand zur zweiten Drehachse 61 um diese herum angeordnet, wobei der Winkelabstand der Zylinderbohrungen 62 untereinander gleich ausgeführt ist. Aufgrund der erfindungsgemäßen Neigung erscheint die Zylinderbohrung 62 in 3 in Form zweier Kreise. Der eine Kreis stellt die vollständig sichtbare Mündungsöffnung der Zylinderbohrung 62 dar, wobei der andere Kreis die Bodenfläche der Zylinderbohrung 62 darstellt. Diese ist aufgrund der Neigung der Zylinderbohrung gegenüber der Mündungsöffnung zur zweiten Drehachse 61 hin versetzt und damit teilweise nicht sichtbar und dementsprechend als Strichlinie dargestellt.
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Wenn die Axialkolbenmaschine vollkommen starr wäre, würde nur ein einziger Kolben 80 an der zugeordneten Zylinderbohrung 62 anliegen, um die Drehmitnahme zwischen der Antriebswelle und der Zylindertrommel 60 zu bewirken, der entsprechende Berührpunkt ist in 3 mit der Bezugsziffer 90 gekennzeichnet.
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In 3 ist die Verbindungslinie 92 zwischen dem Berührpunkt 90 und der zweiten Drehachse 61 eingezeichnet. Weiter ist die Oberflächennormale 91 im Berührpunkt 90 eingezeichnet, welche durch die Mittelachse 81 des Kolbens 80 verläuft. Die Oberflächennormale 91 entspricht der Richtung der Kraft, die zwischen dem Kolben 80 und der Zylinderbohrung 62 übertragen. Der Winkel 93 zwischen der Oberflächennormalen 91 und der Verbindungslinie 92 beträgt annähernd 90°, so dass die genannte Kraft nahezu keine radiale Kraftkomponente aufweist, die in Richtung der Verbindungslinie 92 wirkt und damit nicht zur Drehmomentübertragung der Drehmitnahme beiträgt. Die genannte Kraft wirkt nahezu ausschließlich in tangentialer Richtung.
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4 zeigt eine der 3 entsprechende Schnittansicht, wobei die Zylinderbohrung 62 entgegen der Erfindung parallel zur zweiten Drehachse 61 ausgerichtet ist. Der Winkel 93 zwischen der Verbindungsline 92 und der Oberflächennormalen beträgt hier etwa 30°. Dementsprechend ist die im Berührpunkt 90 wirkende Kraft um den Faktor k = 1 / sin 30° = 2 größer. Für den Fachmann war nicht zu erwarten, dass die vorgeschlagene kleine Neigung der Zylinderbohrung 62 eine derart große Verringerung der Drehmitnahmekräfte im Berührkontakt 90 zwischen Kolben 80 und Zylinderbohrung 62 bewirkt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Axialkolbenmaschine
- 20
- Gehäuse
- 21
- Verstellvorrichtung
- 22
- erster Endanschlag
- 23
- zweiter Endanschlag
- 24
- Mitnehmer
- 25
- Abschlussplatte
- 30
- Steuerscheibe
- 31
- erste Stirnfläche der Steuerscheibe
- 32
- zweite Stirnfläche der Steuerscheibe
- 40
- Antriebswelle
- 41
- erste Drehachse
- 42
- erstes Drehlager
- 43
- zweites Drehlager
- 44
- Antriebszapfen
- 45
- Radialwellendichtring
- 46
- Flansch
- 60
- Zylindertrommel
- 61
- zweite Drehachse
- 62
- Zylinderbohrung
- 63
- Stirnfläche der Kolbentrommel
- 64
- Lagerkörper
- 65
- erstes Kugelgelenk
- 66
- Feder
- 67
- Neigungswinkel der Zylinderbohrung
- 68
- Mittelachse der Zylinderbohrung
- 80
- Kolben
- 81
- Mittelachse
- 82
- erstes Ende des Kolbens
- 83
- zweites Ende des Kolbens
- 84
- zweites Kugelgelenk
- 85
- Kugelkopf
- 86
- kreiskegelförmiger Abschnitt
- 87
- Grundkörper
- 88
- kugelförmiger Anschnitt
- 90
- Berührpunkt zwischen Kolben und Zylinderbohrung
- 91
- Oberflächennormale im Berührpunkt
- 92
- Verbindungslinie zwischen Berührpunkt und zweiter Drehachse
- 93
- Winkel zwischen der Oberflächennormalen und der Verbindungslinie
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- EN-GJS-400-15 [0023]
- EN-GJS-400-18 [0023]
- EN-GJS-500-7 [0023]
- EN-GJS-600-3 [0023]
