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Die Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine in Schrägachsenbauweise gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik sind Axialkolbenmaschinen in Schrägachsenbauweise bekannt, bei denen eine Mehrzahl von Zylindern in einer Zylindertrommel gebildet ist. Die Zylindertrommel ist schräg zu einer Welle (bei Motoren zur Abtriebswelle und bei Pumpen zur Antriebswelle) und zu einer Scheibe der Welle angestellt. In jedem Zylinder ist ein Kolben geführt, der über einen Kolbenfuß schwenkbar an die Scheibe gekoppelt ist. Im Betrieb der Maschine drehen sich die Welle mit der Scheibe und die dazu angestellte Zylindertrommel, so dass die Kolben mit umlaufen und bei jedem Umlauf einen Gesamthub (Hub in eine Richtung und Hub in Gegenrichtung) ausführen.
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Aus dem Stand der Technik sind weiterhin Axialkolbenmaschinen in Schrägachsenbauweise bekannt, bei denen die Zylinder als einzelne Zylinderrohre beziehungsweise -hülsen gebildet sind.
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Die Druckschrift
US 3,722,372 zeigt eine derartige Axialkolbenmaschine mit einzelnen Zylinderrohren. Diese sind einseitig über Kugelabschnitte gestülpt und teleskopartig in ihrer Länge veränderbar. Über die Längenänderung der Zylinderrohre ändert sich ihr Volumen während ihres Umlaufs. Nachteilig ist, dass das Förder- beziehungsweise Verdrängervolumen der Axialkolbenmaschine konstant ist.
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Die Druckschrift
US 2,146,133 zeigt eine verstellbare Axialkolbenmaschine mit einzelnen Zylinderrohren. Diese sind ebenfalls teleskopartig in ihrer Länge veränderbar und beidseitig über jeweilige Kugelabschnitte gestülpt.
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Nachteilig an beiden Axialkolbenmaschinen des Standes der Technik ist der vorrichtungstechnische Aufwand, der zur Herstellung und Abdichtung der beiden Hülsenteile jeder Zylinderhülse nötig ist.
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Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine verstellbare Axialkolbenmaschine in Schrägachsenbauweise mit verringertem vorrichtungstechnischem Aufwand zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Axialkolbenmaschine in Schrägachsenbauweise mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Die erfindungsgemäße verstellbare Axialkolbenmaschine in Schrägachsenbauweise hat eine Mehrzahl von einzelnen einteiligen Zylinderrohren beziehungsweise -hülsen. Jede Zylinderhülse ist einerseits an einem ersten Kugelabschnitt schwenkbar gelagert. In jeder Zylinderhülse ist andererseits ein weiterer an einem Kolben befestigter Kugelabschnitt verschiebbar geführt und schwenkbar gelagert. Beide Kugelabschnitte sind dichtend in die Zylinderhülse eingesetzt. Durch eine Verschiebung des kolbenseitigen Kugelabschnitts ist eine Veränderung des von der Zylinderhülse und den beiden Kugelabschnitten begrenzten Arbeitsraums möglich. Dabei ist jeder Kolben hinreichend lang, dass im Betrieb der Axialkolbenmaschine die zugeordnete Zylinderhülse zur Verringerung des eingeschlossenen Hubvolumens hinreichend weit über den kolbenseitigen Kugelabschnitt geschoben werden kann, beziehungsweise dass der kolbenseitige Kugelabschnitt zur Verringerung des eingeschlossenen Hubvolumens hinreichend weit in die Zylinderhülse eingeschoben werden kann.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
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Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine sind die jeweiligen ersten Kugelabschnitte an einem Rotor befestigt, der an eine Triebwelle drehfest gekoppelt ist, während die jeweiligen kolbenseitigen Kugelabschnitte über den jeweiligen Kolben gemeinsam an einem Zylinderboden befestigt sind. Der Zylinderboden rotiert im Betrieb der Axialkolbenmaschine synchron mit dem Rotor und ist zu diesem angestellt, so dass sich ein Kolbenhub im Zylinderrohr ergibt.
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Ein möglicher Schwenkwinkel zwischen dem ersten Kugelabschnitt und der Zylinderhülse kann größer sein als ein möglicher Schwenkwinkel zwischen dem kolbenseitigen Kugelabschnitt und der Zylinderhülse.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist ein Winkel des Zylinderbodens über eine in einem Gehäuse verschwenkbare Verstelllinse einstellbar. Damit ist ein Durchschwenken der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine möglich. Da auch ein Drehrichtungswechsel der Triebwelle und ein Wechsel der Hochdruck- und Niederdruckseite erfolgen können, ist ein Vier-Quadranten-Betrieb im offenen und im geschlossenen Kreis ermöglicht.
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Die Kolben können über Sprengringe, über Rollierungen oder über Kunststoffeinsätze an der Verstelllinse befestigt sein.
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Vorzugsweise sind die ersten Kugelabschnitte hohl, so dass Druckmittel unter Arbeitsdruck auch in entsprechende mit den jeweiligen Arbeitsräumen verbundene Hohlräume eindringt. Damit ergibt sich eine Aufweitung der ersten Kugelabschnitte, was zu einem Ausgleich eines Ringspalts führt, der sich zwischen der jeweiligen aufgeweiteten Zylinderhülse und dem jeweiligen ersten Kugelabschnitt ergeben könnte.
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Gemäß einer ersten Variante erfolgt die Kommutierung derart, dass Druckmittel in die verschiedenen Arbeitsräume über den jeweiligen ersten Kugelabschnitt und über eine jeweilige Durchgangsausnehmung des Rotors zugeführt und aus den Arbeitsräumen abgeführt werden kann.
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Vorzugsweise sind (auch oder alternativ) die kolbenseitigen Kugelabschnitte hohl, so dass Druckmittel unter Arbeitsdruck auch in die entsprechenden mit den jeweiligen Arbeitsräumen verbundenen Hohlräume eindringt. Damit ergibt sich eine Aufweitung der kolbenseitigen Kugelabschnitte, was zu einem Ausgleich eines Ringspalts führt, der sich zwischen der jeweiligen aufgeweiteten Zylinderhülse und dem jeweiligen kolbenseitigen Kugelabschnitt ergeben könnte.
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Dabei kann eine zweite Variante der Kommutierung derart erfolgen, dass die zugeordneten Kolben Hohlkolben sind, wobei Druckmittel in die verschiedenen Arbeitsräume über den jeweiligen kolbenseitigen Kugelabschnitt, den Hohlkolben, den Zylinderboden und über die Verstelllinse zugeführt und aus den Arbeitsräumen abgeführt werden kann. Die zweite Variante der Kommutierung kann alternativ oder in Ergänzung zur ersten Variante der Kommutierung erfolgen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der ersten Variante der Kommutierung durch den Rotor bei einer Verwendung der Axialkolbenmaschine als Pumpe mit konstanter Druckseite und konstanter Drehrichtung hat eine zusätzliche Ansaugniere in der Verstelllinse. Auch dabei sind hohle Kugelabschnitte und Hohlkolben vorgesehen, wodurch die Füllung der Arbeitsräume bei hohen Drehzahlen deutlich verbessert ist. Dies gleicht den möglichen Nachteil eines größeren Teilkreises durch die Verwendung der Einzelverdränger (doppelte Wandstärke zwischen den Kolbenbohrungen) wieder aus.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist der Rotor etwa scheibenförmig und über eine hydrostatische Entlastung am Gehäuse abgestützt und an seinem Außenumfang über ein Wälzlager im Gehäuse gelagert. Auch der Zylinderboden kann etwa scheibenförmig sein.
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Die Zylinderhülsen können innen und/oder die Kugelabschnitte außen beschichtet sein.
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Wenn die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine als Motor betrieben wird, zeigt dieser ein sehr gutes Anfahrverhalten.
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Auch wenn der Schwenkwinkel und damit der Verstellbereich gegenüber einer Lösung mit einseitiger Welle verringert sein könnten, ist bei einer bevorzugten Weiterbildung die Welle durch die Axialkolbenmaschine durchgehend.
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Dabei wird eine Weiterbildung besonders bevorzugt, die eine zweite im Wesentlichen gleiche erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine hat. Diese kann insbesondere gespiegelt zur ersten Maschine angeordnet sein.
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Wenn die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine als Pumpe in einem geschlossenen beziehungsweise System mit einem erhöhten Niederdruck verwendet wird, sowie bei wechselnden Drehrichtungen ist ein zusätzliches Nachsaugventil vorteilhaft, das in die Verstelllinse integriert ist.
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Im Folgenden wird anhand der Figur ein Ausführungsbeispiel der Erfindung detailliert beschrieben.
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Die Figur zeigt das Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine in Schrägachsenbauweise in einer seitlichen geschnittenen schematischen Darstellung. Im Innern eines Gehäuses 1 ist eine Mehrzahl von Verdrängern (z.B. sechs Verdränger) auf einer Kreisbahn angeordnet, von denen in der Figur nur zwei Verdränger dargestellt sind. Im Gehäuse 1 sind ein Hochdruckanschluss HD und ein Niederdruckanschluss ND ausgebildet. Diese sind über jeweilige Kanäle mit jeweils einer kreisbogenförmigen Anschlussniere (nicht näher gezeigt) verbunden, von denen eine Anschlussniere oberhalb der Zeichenebene und die andere Anschlussniere unterhalb der Zeichenebene liegt. Die beiden Anschlussnieren stehen mit einer der Anzahl der Verdränger entsprechenden Anzahl von Durchgangsausnehmungen 2 in Wirkverbindung, die gleichmäßig auf einer Kreisbahn eines Rotors 4 verteilt angeordnet sind, und im Betrieb an den beiden Anschlussnieren vorbeilaufen. Der Rotor 4 ist scheibenartig und über ein Wälzlager 6 im Gehäuse 1 gelagert.
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In axialer Verlängerung jeder Durchgangsausnehmung 2 ist über eine Verbindungshülse 8 ein erster Kugelabschnitt 9 befestigt. Die Verbindungshülsen 8 haben gegenüber dem jeweiligen ersten Kugelabschnitt 9 einen etwas verringerten Durchmesser. Auf prinzipiell ähnliche Weise ist an einem zum Rotor 4 angestellten Zylinderboden 10 eine entsprechende Mehrzahl Durchgangsausnehmungen 12 vorgesehen, wobei benachbart zu jeder Durchgangsausnehmung 12 am Zylinderboden 10 ein Hohlkolben 14 befestigt ist, an dessen Endabschnitt ein jeweiliger Kugelabschnitt 16 angeordnet ist. Auch die Hohlkolben 14 haben gegenüber dem jeweiligen Kugelabschnitt 16 einen etwas verringerten Durchmesser.
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Um die Kugelabschnitte 9, 16 ist jeweils eine Zylinderhülse 18 als Begrenzung eines Arbeitsraumes 20 angeordnet. Der drehmomentbildende erste Kugelabschnitt 9 wird über eine geeignete Maßnahme in der Zylinderhülse 18 fixiert, so dass diese im Betrieb nicht vom rotorseitigen Kugelabschnitt 9 abgezogen wird. Dabei weisen beide Kugelabschnitte 9, 16 exakt den gleichen Durchmesser auf, der dem Innendruchmesser der Zylinderhülse 18 entspricht, so dass kein Anteil der hydraulischen Kraft durch die Fixierung 22 aufgenommen werden muss, sondern nur Reibkräfte.
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Die Kommutierung, also die abwechselnde Verbindung der Arbeitsräume zum Hochdruck- und zum Niederdruckanschluss HD, ND der Axialkolbenmaschine, erfolgt durch die rotorseitingen Anschlussnieren und durch die rotorseitigen Kugelabschnitte 9. Der Rotor 4 ist verschieblich an einer Triebwelle 24 befestigt und radial gelagert. Die axiale Lagerung des Rotors 4 gegenüber dem Gehäuse 1 übernimmt eine hydrostatische Entlastung, die vorteilhaft mit der Kommutierung zusammengeführt ist. Die Trennung von radialer und axialer Last ermöglicht eine sehr präzise Abstimmung der axialen Entlastung hin zu 100% Entlastungsgrad und damit eine sehr reibungsarme Abstützung. Durch die kolbenseitigen Kugelabschnitte 16 und die vollständige Entlastung braucht nur noch eine sehr schwache Andruckfeder (nicht gezeigt) eingesetzt zu werden, da die Hysterese durch die Reibkräfte im Wechsel zwischen einem Motor- und einem Pumpenbetrieb gering ist. Durch entsprechende Umsteuerungsgeometrien wird ein pulsationsarmer Lauf gewährleistet.
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Der Zylinderboden 10 wird von einem Triebflansch oder von einer Triebwelle 4 über einen Kardan 26 mitgenommen. Die ungleichförmige Drehübertragung, die einem Kardangelenk innewohnt, wird durch die beidseitigen Kugelabschnitte 9, 16 der Einzelverdränger ausgeglichen. Ebenfalls ausgeglichen wird die auf den Zylinderboden 10 bezogene Ellipsenbahn von den Mittelpunkten der kolbenseitigen Kugelabschnitte 9, 16. Damit ist das System vollständig bestimmt, im Gegensatz zur Schrägachsenmaschine mit Kegelkolben mit unbestimmter Zylindermitnahme gemäß dem Stand der Technik. Der Zylinderboden 10 wird ebenfalls über eine hydrostatische Entlastung von einer Verstelllinse 28 entkoppelt.
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Ein großer Vorteil der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine ist die Möglichkeit, den Zylinderboden 10 über die Verstelllinse 28 geometrisch in beide Richtungen zu verschwenken, was bei einer Schrägachsenkonstruktion gemäß dem Stand der Technik nur mit Jochbauweise zu realisieren ist. Dies ist in der Trennung von Kommutierung und Entlastung des schwenkenden Elementes begründet.
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Die Verstellung der Verstelllinse 28 kann über Längs- oder Querverstellung mechanisch, hydraulisch oder elektrisch erfolgen. Durch die große Fläche der Verstelllinse 28 ohne Durchbruch ist sie in reibarmen Kunststoff-Verbundlagern gegenüber dem Gehäuse 1 gelagert. Eine Schmierung oder Entlastung kann über den Zylinderboden 10 (oder den hydraulischen Stellmechanismus, falls gewählt) erfolgen.
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Die Kernteile jedes Verdrängers, also die Kugelabschnitte 9, 16 und die Zylinderhülsen 18, sind jeweils in ihrer Steifigkeit aneinander angepasst, damit die Spaltaufweitung unter Druck kompensiert wird. Dies kann durch Materialeigenschaften oder mechanische Steifigkeiten erreicht werden.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind alle Bauteile präzise geschliffen. Durch geschickte Materialwahl und/oder Fertigungsverfahren (Kunststoff-Spritzguss, Sintermaterialien, CIM, MIM, Tiefziehen, Fließpressen, Rollieren, Stanzen, ...) können Funktions- und/oder Kostenvorteile generiert werden.
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Offenbart ist eine verstellbare Axialkolbenmaschine in Schrägachsenbauweise mit einer Mehrzahl von einzelnen einteiligen Zylinderrohren beziehungsweise -hülsen. Jede Zylinderhülse ist einerseits an einem ersten Kugelabschnitt schwenkbar gelagert. In jeder Zylinderhülse ist andererseits ein weiterer an einem Kolben befestigter Kugelabschnitt verschiebbar geführt und schwenkbar gelagert. Beide Kugelabschnitte sind dichtend in die Zylinderhülse eingesetzt. Durch eine Verschiebung des kolbenseitigen Kugelabschnitts ist eine Veränderung des von der Zylinderhülse und den beiden Kugelabschnitten begrenzten Arbeitsraums möglich. Dabei ist jeder Kolben hinreichend lang, dass im Betrieb der Axialkolbenmaschine die zugeordnete Zylinderhülse zur Verringerung des eingeschlossenen Hubvolumens hinreichend weit über den kolbenseitigen Kugelabschnitt geschoben werden kann, beziehungsweise dass der kolbenseitige Kugelabschnitt zur Verringerung des eingeschlossenen Hubvolumens hinreichend weit in die Zylinderhülse eingeschoben werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 3722372 [0004]
- US 2146133 [0005]
