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Die Erfindung betrifft eine verstellbare hydrostatische Axialkolbenmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Eine verstellbare hydrostatische Axialkolbenmaschine ist beispielsweise aus der
DE 10 2011 009 537 A1 bekannt, die in Schrägscheiben-/Schwenkwiegenbauweise ausgeführt ist. Die darin beschriebene Axialkolbenmaschine weist ein Gehäuse mit einer darin angeordneten Zylindertrommel auf, in der eine Vielzahl von Zylindern ausgebildet ist. In den Zylindern ist jeweils ein Kolben achsparallel zur Zylindertrommelachse geführt, wobei sich die Kolben jeweils an einer Schwenkwiege abstützen, die mithilfe einer Schwenklagerung schwenkbar in dem Gehäuse der Axialkolbenmaschine gelagert ist. Durch eine Verstellung der Schwenkwiege kann der Kolbenhub der Kolben verstellt werden. Hierfür weist die Axialkolbenmaschine wenigstens einen Verstellkolben beziehungsweise Verstellzylinder mit einer Rückstellfeder auf, mit dem die Schwenkwiege zumindest zwischen einer Grundstellung und einer verschwenkten Stellung verschwenkbar ist. Dabei ist die Rückstellfeder notwendig, um die Schwenkwiege in einem drucklosen Zustand in die Grundstellung zu zwingen.
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Ein weiteres Beispiel für eine verstellbare Axialkolbenmaschine geht aus der
DE 10 2010 032 649 A1 hervor. Die darin beschriebene Axialkolbenmaschine weist eine Schwenklagerung mit einer gehäuseseitigen Schwenklagerfläche auf, über die eine Schwenkwiege gelagert ist. Zur Verstellung der Schwenkwiege weist die Axialkolbenmaschine wenigstens einen Verstellkolben beziehungsweise einen Verstellzylinder mit einer Rückstellfeder auf. Auch hier ist die Rückstellfeder notwendig, um die Schwenkwiege in einem drucklosen Zustand in die Grundstellung zu drücken.
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Diesen beiden Beispielen einer verstellbaren Axialkolbenmaschine ist gemeinsam, dass bei der Verstellung der Schwenkwiege in eine bestimmte Richtung jeweils die Vorspannung der Rückstellfeder überwunden werden muss, so dass dadurch die Verstellung der Schwenkwiege verlustbehaftet ist. Darüber hinaus muss in einer solchen Axialkolbenmaschine eine Rückstellfeder vorgehalten werden, wodurch sich der beanspruchte Bauraum vergrößert.
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Eine weitere Axialkolbenmaschine ist aus der
DE 10 2010 012 975 A1 bekannt. Die darin beschriebene Axialkolbenmaschine weist einen Doppelkolbenspeicher auf, der zusammen mit einer Hochdruckleitung und einer Niederdruckleitung eine hydraulische Wiege bildet. In einem Speichergehäuse des Doppelkolbenspeichers sind ein Hochdruck-Speicherkolben und ein Niederdruck-Speicherkolben angeordnet, die mittels einer gemeinsamen Kolbenstange miteinander verbunden sind und sich in dem Speichergehäuse verschieben lassen. Die Hochdruckseite des Doppelkolbenspeichers wird durch ein stickstoffhaltiges Gas aus einem Vorratsbehälter gespeist. Nachteilig an diesem Aufbau ist die konstruktive aufwendige und daher kostenintensive Speisung der Hochdruckseite.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine verstellbare Axialkolbenmaschine zu schaffen, die mit konstruktiv möglichst einfachen Mitteln eine verlustarme Verstellung einer Schwenkwiege ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine verstellbare Axialkolbenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße verstellbare Axialkolbenmaschine weist ein Gehäuse auf, in dem Gehäuse eine verstellbare Schwenkwiege mittels einer Schwenklagerung gelagert aufgenommen ist. Die Schwenkwiege ist mittels wenigstens eines hydraulischen Verstellkolbens zwischen einer Grundstellung und einer verschwenkten Stellung verstellbar. Erfindungsgemäß ist ein die Schwenkwiege aufnehmender Gehäuseinnenraum mit einem gegenüber einer Gehäuseumgebung erhöhten hydraulischen Druck beaufschlagt, wobei der Verstellkolben wenigstens einseitig mit dem erhöhten hydraulischen Druck des Gehäuseinnenraums beaufschlagbar ist.
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Mit diesem Aufbau einer Axialkolbenmaschine wird für die zumindest teilweise Verstellung der Schwenkwiege ein im Gehäuseinneren wirkender hydraulischer Druck mit verwendet. Dieser Druck kann beispielsweise auf einer Hochdruckseite der Axialkolbenmaschine anliegen und somit auf konstruktiv einfache Weise für die erfindungsgemäße Druckbeaufschlagung mit verwendet werden. Somit können durch die erfindungsgemäße Konfiguration einer Axialkolbenmaschine wenigstens eine Verstellvorrichtung und/oder eine Druckquelle eingespart werden. Vorteilhafterweise lässt sich die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine damit besonders verlustarm betreiben.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann die Schwenkwiege mittels des im Gehäuseinnenraum herrschenden, erhöhten hydraulischen Drucks in eine Grundstellung verstellt werden. Dieser Aufbau erlaubt es, eine zusätzliche Rückstellfeder für die Rückstellung der Schwenkwiege in die Grundstellung einzusparen. Eine solche Axialkolbenmaschine zeichnet sich durch einen besonders kostengünstigen und einfachen Aufbau aus, der einen geringen Bauraum beansprucht.
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Eine vorteilhafte Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass der hydraulische Verstellkolben eine mit dem Gehäuseinnenraum fluidisch verbundene Hochdruckseite und eine von dieser fluidisch abgetrennte Niederdruckseite aufweist. Am Verstellkolben kann ein Dichtungselement, beispielsweise in Form eines Kolbenrings, angeordnet sein, das die Hochdruckseite fluidisch von der Niederdruckseite abtrennt.
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Besonders zweckmäßig ist es, wenn der Verstellkolben wenigstens einseitig mit einem Gehäuseumgebungsdruck beaufschlagbar beziehungsweise verbindbar ist. Durch die Druckdifferenz, die sich zwischen der mit dem im Gehäuseinnenraum herrschenden, erhöhten Druck und dem Gehäuseumgebungsdruck ergibt, lassen sich der Verstellkolben und damit die Schwenkwiege auf konstruktiv besonders einfache Weise in eine Grundstellung zurückstellen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann der Verstellkolben in einem von der Gehäuseumgebung fluidisch abgetrennten Kolbenraum geführt sein, der nachfolgend als Zylinder bezeichnet wird.
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Um den Verstellkolben auf besonders einfache Weise rückzustellen, kann dem Kolbenraum ein hydraulisches Schaltventil zugeordnet sein, mit dem der Kolbenraum mit dem im Gehäuseinnenraum herrschenden, erhöhten Druck beaufschlagbar ist.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Zylinder einen einstellbaren Anschlag aufweist, mit dem der Weg des Verstellkolbens in einer axialen Richtung begrenzbar ist.
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Im Folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen
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1 das erste Ausführungsbeispiel in einem Längsschnitt und
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2 das zweite Ausführungsbeispiel in einem Längsschnitt.
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Gleiche oder ähnliche Komponenten sind in den Figuren durchgängig mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen Ausschnitt eines leicht schematisiert dargestellten Ausführungsbeispiels einer verstellbaren Axialkolbenmaschine 1 in einem Längsschnitt.
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Die Axialkolbenmaschine 1 weist ein Pumpengehäuse 2 auf, in dem, wie eingangs beschrieben, eine hier nicht dargestellte Zylindertrommel gelagert ist. In der nicht dargestellten Zylindertrommel ist eine Vielzahl von Zylinderbohrungen ausgebildet, in denen jeweils ein Kolben gelagert und geführt ist. Eine ebenfalls nicht dargestellte Umfangswandung der Zylinderbohrungen bilden mit den Zylindern jeweils einen Arbeitsraum aus, dessen Arbeitsvolumen sich in Abhängigkeit des Kolbenhubs verändert werden kann. Je nach Arbeitsmodus lässt sich die Axialkolbenmaschine 1 mithilfe einer Triebwelle durch einen externen Antrieb antreiben, um so als Pumpe zu funktionieren. Oder die Axialkolbenmaschine 1 wird über die rotierende Zylindertrommel angetrieben, um auf diese Weise als Motor zu funktionieren.
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In 1 ist gut zu erkennen, dass in dem Pumpengehäuse 2 der Axialkolbenmaschine 1 eine Schwenkwiege 4 mittels einer Schwenklagerung 6 gelagert ist. Hierfür weist die Schwenklagerung 6 eine konkave, gehäuseseitige Lageraufnahme 8 auf, in der eine im Wesentlichen kreissegmentförmig ausgestaltete Schwenklagerfläche 10 der Schwenkwiege 4 aufgenommen werden kann. Die Schwenklagerung 6 erlaubt eine Verschwenkung der Schwenkwiege 4, wobei sich beim Verschwenken derselben eine Relativbewegung zwischen dem Pumpengehäuse 2 und der Schwenkwiege 4 ergibt. Auf einer der Schwenklagerfläche 10 gegenüberliegenden Seite weist die Schwenkwiege 4 eine planare Auflagefläche 12 zum Abstützen der oben beschriebenen, hier nicht dargestellten Kolben auf.
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Des Weiteren ist in dem Pumpengehäuse 2 ein Verstellmechanismus 14 zur Verstellung beziehungsweise Verschwenkung der Schwenkwiege 4 angeordnet. Der Verstellmechanismus 14 umfasst einen Verstellkolben 16, der über eine erste Kolbenfläche 18 und eine von dieser weg weisende zweite Kolbenfläche 20 verfügt. Etwa mittig zwischen den beiden Kolbenflächen hat der Verstellkolben eine quer zu seiner Längsrichtung verlaufende Mitnahmenut 21. Der Verstellkolben 16 selbst ist in einem Zylinder 22 gelagert aufgenommen und lässt sich in diesem axial verschieben. Der Zylinder 22 weist auf einer der ersten Kolbenfläche 18 zugeordneten Seite eine erste Einlass-/Auslassöffnung 24 und auf einer der zweiten Kolbenfläche 20 zugeordneten Seite eine zweite Einlass-/Auslassöffnung 26 auf. Die erste Einlass-/Auslassöffnung 24 ist mit einem Gehäuseinnenraum 28, das heißt einem von dem Pumpengehäuse 2 ausgebildeten Volumen, fluidisch verbunden.
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Weiter ist der Gehäuseinnenraum mit einem gegenüber der Gehäuseumgebung erhöhten hydraulischen Druck beaufschlagbar, der in diesem Ausführungsbeispiel vorzugsweise 3 bis 10 bar beträgt. Die zweite Einlass-/Auslassöffnung 26 ist mit einer von dem Gehäuseinnenraum 28 abgetrennten Gehäuseumgebung fluidisch verbunden. Um die beiden Einlass-/Auslassöffnungen 24, 26 fluidisch voneinander abzutrennen, weist der Verstellkolben 16 ein Dichtungselement 29 auf, das in diesem Ausführungsbeispiel ein Kolbenring ist. In anderen Worten weist der Verstellkolben 16, aufgrund der Druckdifferenz zwischen den Einlass-/Auslassöffnungen 24, 26, auf der Seite der Ein-/Auslassöffnung 24 eine Hochdruckseite und auf der Seite der Ein-/Auslassöffnung 26 eine Niederdruckseite auf.
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Um durch den Verstellmechanismus 14 verstellt werden zu können, taucht ein Schwenkwiegenarm 32 der Schwenkwiege 4 mittels eines Mitnehmers 34 in die Mitnahmenut 21 ein. Das heißt, dass die Schwenkwiege 4 durch eine axiale Bewegung des Verstellkolbens 16 verstellbar beziehungsweise verschwenkbar ist.
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Die Funktion der Axialkolbenmaschine 1 kann wie nachfolgend beschrieben ablaufen.
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Wie oben beschrieben, ist der Gehäuseinnenraum 28 des Pumpengehäuses 2 mit einem hydraulischen Druck von 3 bis 10 bar beaufschlagt, was gegenüber der Gehäuseumgebung einen erhöhten Druck bedeutet. Des Weiteren ist der Zylinder 22 durch die Ein-/Auslassöffnung 24 mit dem Gehäuseinnenraum 28 fluidisch verbunden, so dass die der Ein-/Auslassöffnung 24 zugeordnete Kolbenfläche 18 mit dem Druck des Gehäuseinnenraums 28 beaufschlagt werden kann. Da an der anderen, das heißt an der zweiten Ein-/Auslassöffnung 26 ein Gehäuseumgebungsdruck anliegt, der im Vergleich zum Druck im Gehäuseinnenraum 28 niedriger ist, wird der Verstellkolben 16 axial in Richtung der zweiten Ein-/Auslassöffnung 26 gedrückt. Infolge der Kolbenbewegung wird auch die Schwenkwiege 4 in ihre Grundstellung zurück bewegt, wenn die Schwenkwiege 4 zuvor durch den Verstellkolben 16 aus der Grundstellung in eine verschwenkte Stellung verstellt wurde. Außerdem wird die Schwenkwiege 4 dann durch den Druck im Gehäuseinnenraum 28 in dieser Grundstellung gehalten.
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Ausgehend von dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine 1 in vielfacher Hinsicht abgewandelt werden. Beispielsweise ist eine Konfiguration gemäß 2 denkbar, die einen Ausschnitt eines leicht schematisiert dargestellten Ausführungsbeispiels einer verstellbaren Axialkolbenmaschine 1 in einem Längsschnitt zeigt. In dieser Ausführungsform stimmt der prinzipielle Aufbau der Axialkolbenmaschine 1 mit dem oben beschrieben Aufbau überein.
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In 2 ist jedoch gut zu erkennen, dass die Axialkolbenmaschine 1, abweichend von dem obigen Ausführungsbeispiel, ein elektrisch ansteuerbares Schaltventil 36 aufweist. Das Schaltventil 36 ist mit der zweiten Ein-/Auslassöffnung 26 verbunden und dazu vorgesehen, den Zylinder 22 entweder mit dem erhöhten Druck im Gehäuseinnenraum 28 oder wahlweise mit dem Gehäuseumgebungsdruck fluidisch zu verbinden. Hierfür sind ein erster Anschluss 38 des Schaltventils 36 mit der zweiten Ein-/Auslassöffnung 26, ein zweiter Anschluss 40 mit der Gehäuseumgebung und ein dritter Anschluss 42 mit dem Gehäuseinnenraum 28 fluidisch verbunden. Zur Begrenzung des Kolbenweges des Verstellkolbens 16 verfügt der Zylinder 22 über einen gegebenenfalls einstellbaren Anschlag 44, an den die zweite Kolbenfläche 20 anschlagen kann. Dabei ist der einstellbare Anschlag 44 beispielsweise durch eine am Pumpengehäuse 2 gekonterte Schraubenverbindung ausgeführt.
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Wenn das Schaltventil 36 in dieser Ausführungsform der Axialkolbenmaschine 1 im Normalbetrieb bestromt wird, wird der Verstellkolben 16 beziehungsweise die erste Kolbenfläche 18 mit dem gegenüber der Gehäuseumgebung erhöhten Druck im Gehäuseinnenraum 28 beaufschlagt. Dadurch kann der Verstellkolben 16 kraftfrei mitbewegt werden, wodurch der Verstellkolben 16 keine störenden Kräfte auf den Verstellmechanismus 14 der Schwenkwiege 4 ausübt.
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Weiter ist denkbar, dass der Verstellmechanismus 14 einen weiteren, hier nicht dargestellten Verstellkolben aufweist, der gegenüber dem Verstellkolben 16 als Gegenkolben zur Verstellung der Schwenkwiege 4 wirkt. Zur Verstellung der Schwenkwiege 4 können in diesem Fall beide Verstellkolben angesteuert werden. Beachtenswert ist dabei, dass nur ein Verstellkolben entsprechend dem oben beschriebenen Verstellkolben 16 ausgebildet sein muss. Gegenüber dem Stand der Technik wird so eine Rückstellfeder eingespart.
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Offenbart ist eine verstellbare Axialkolbenmaschine mit einem Gehäuse, in dem eine verstellbare Schwenkwiege mittels einer Schwenklagerung gelagert aufgenommen ist und mittels wenigstens einem hydraulischen Verstellkolben zwischen einer Grundstellung und einer verschwenkten Stellung verstellbar ist. Erfindungsgemäß ist ein die Schwenkwiege aufnehmender Gehäuseinnenraum mit einem gegenüber einer Gehäuseumgebung erhöhten hydraulischen Druck beaufschlagt, wobei der Verstellkolben wenigstens einseitig mit dem gegenüber der Gehäuseumgebung erhöhten hydraulischen Druck des Gehäuseinnenraums beaufschlagt werden kann.
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Die Erfindung ist insbesondere auch in sogenannten Hybridfahrzeugen, zum Beispiel in einem Personenkraftwagen, mit einem Verbrennungsmotor und einem hydraulischen Antriebsstrang inklusive Hydropumpe, Hydrospeicher und einem oder zwei Hydromotoren zwischen dem Verbrennungsmotor und einer Achse einsetzbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011009537 A1 [0002]
- DE 102010032649 A1 [0003]
- DE 102010012975 A1 [0005]
