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Die Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine mit Kolben, die in einer im Wesentlichen axialen Richtung in Zylinderräumen eines Zylinders hin und her bewegbar geführt sind, und mit einer Schwenkwiege, die mindestens eine Lagerfläche aufweist, die über mindestens einen Schmiermediumkanal mit Schmiermedium versorgt wird. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Versorgen einer Lagerfläche einer Schwenkwiege einer derartigen Axialkolbenmaschine mit Schmiermedium.
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Stand der Technik
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Aus dem US-Patent
US 6,352,017 B1 ist eine Hydraulikpumpe mit einer Taumelscheibe und Kolben bekannt, die in einem Zylinderblock hin und her bewegbar geführt sind, wobei die Kolben über Gleitstücke, die gleitend an der Taumelscheibe anliegen, mit der Taumelscheibe gekoppelt sind, wobei die Gleitstücke durch einen elastischen Gleitstückhalter gegen die Taumelscheibe vorgespannt sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Versorgung einer Lagerfläche einer Schwenkwiege einer Axialkolbenmaschine mit Schmiermedium zu verbessern.
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Die Aufgabe ist bei einer Axialkolbenmaschine mit Kolben, die in einer im Wesentlichen axialen Richtung in Zylinderräumen eines Zylinders hin und her bewegbar geführt sind, und mit einer Schwenkwiege, die mindestens eine Lagerfläche aufweist, die über mindestens einen Schmiermediumkanal mit Schmiermedium versorgt wird, dadurch gelöst, dass der Schmiermediumkanal von einem Umsteuerbereich einer Lauffläche der Schwenkwiege ausgeht. In dem Umsteuerbereich wird ein Arbeitsmedium von der Axialkolbenmaschine, das auch als Schmiermedium verwendet wird, von einem relativ hohen Druck, der auch als Hochdruck bezeichnet wird, auf einen relativ niedrigen Druck, der auch als Niederdruck bezeichnet wird, expandiert beziehungsweise entlastet. Zu diesem Zweck wird bei herkömmlichen Axialkolbenmaschinen ein Teil des Arbeitsmediumvolumens verlustbehaftet in einen Niederdruckbereich abgespritzt. Gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung wird beim Umsteuern auftretende Verlustenergie gezielt genutzt, um die Lagerfläche der Schwenkwiege kurzzeitig hydrostatisch zu entlasten.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Axialkolbenmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangspunkt des Schmiermediumkanals in der Nähe eines inneren oder äußeren Totpunkts der Schwenkwiege angeordnet ist. Als innerer Totpunkt wird einer von zwei Totpunkten bezeichnet, die bei einer kompletten 360-Grad-Umdrehung des Zylinders von den einzelnen Kolben der Axialkolbenmaschine überfahren werden. Am inneren Totpunkt sind die Kolben ganz eingefahren, das heißt, das zugehörige Zylindervolumen ist am kleinsten. Im Gegensatz dazu sind die Kolben am äußeren Totpunkt ganz ausgefahren. Durch die Anordnung des Ausgangspunkts des Schmiermediumkanals in der Nähe des inneren Totpunkts der Schwenkwiege wird auf einfache Art und Weise erreicht, dass ein Druckabbau im jeweiligen Arbeitsraum oder Zylinderraum des Kolbens von der Lauffläche der Schwenkwiege über den Schmiermediumkanal zur Lagerfläche der Schwenkwiege hin erfolgt. Dadurch kann vorteilhaft der Wirkungsgrad der Axialkolbenmaschine verbessert werden. Ein Druckwechsel von Hochdruck zu Niederdruck findet im Bereich des inneren Totpunkts statt, wenn die Axialkolbenmaschine als Pumpe betrieben wird. Wenn die Axialkolbenmaschine als Motor betrieben wird, dann findet der Druckwechsel im Bereich des äußeren Totpunkts statt. Im Pumpenbetrieb der Axialkolbenmaschine ist der Ausgangspunkt des Schmiermediumkanals in der Nähe des inneren Totpunkts der Schwenkwiege angeordnet. Im Motorbetrieb der Axialkolbenmaschine ist der Ausgangspunkt des Schmiermediumkanals in der Nähe des äußeren Totpunkts der Schwenkwiege angeordnet.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Axialkolbenmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schmiermediumkanal im Bereich des inneren oder äußeren Totpunkts eine Verbindung zwischen einem der Zylinderräume und der Lagerfläche der Schwenkwiege schafft. Die Verbindung übt somit eine Doppelfunktion aus. Zum einen ermöglicht die Verbindung den betriebsbedingten Druckabbau im Umsteuerbereich. Darüber hinaus wird über die Verbindung die Schmierung der Lagerfläche der Schwenkwiege verbessert. Die Verbindung kann mehr als den einen Schmiermediumkanal umfassen. Es können sich mehrere Schmiermediumkanäle von dem Umsteuerbereich der Lauffläche der Schwenkwiege zur Lagerfläche der Schwenkwiege erstrecken. Mindestens ein weiterer Schmiermediumkanal kann sich auch von dem Umsteuerbereich von der Lauffläche der Schwenkwiege zu einer weiteren mit Schmiermedium zu versorgenden Stelle hin erstrecken.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Axialkolbenmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schmiermediumkanal in eine Lagertasche mündet, die in der Lagerfläche vorgesehen ist. Die Lagertasche kann genauso oder so ähnlich ausgeführt sein wie Lagertaschen in herkömmlichen Schwenkwiegen. Über die Lagertasche wird das Schmiermedium der Lagerfläche zugeführt. Bei dem Schmiermedium handelt es sich vorteilhaft um das Arbeitsmedium der Axialkolbenmaschine. Bei dem Arbeitsmedium wiederum handelt es sich vorzugsweise um Öl, zum Beispiel Hydrauliköl.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Axialkolbenmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass in der Nähe der Lagertasche in der Lagerfläche eine Abflussöffnung für Schmiermedium vorgesehen ist. Von der Abflussöffnung in der Lauffläche erstreckt sich zum Beispiel ein Abflusskanal in den Niederdruckbereich der Axialkolbenmaschine. Die Anordnung der Abflussöffnung in der Lauffläche und/oder der Abstand der Abflussöffnung von der Lagertasche in der Lauffläche sind/ist vorteilhaft so gewählt, dass die Lauffläche ausreichend mit Schmiermedium versorgt wird.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Axialkolbenmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass in der Lagerfläche Schmiernuten vorgesehen sind. Über die Schmiernuten wird das Schmiermedium, das über die Lagertasche zugeführt wird, gleichmäßig über die Lauffläche verteilt. Die Lagertasche ist vorteilhaft innerhalb eines Bereichs der Lauffläche angeordnet, der mit den Schmiernuten versehen ist. Die Schmiernuten sind vorteilhaft kreuzweise angeordnet.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Axialkolbenmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben über Gleiteinrichtungen, die gleitend an der Schwenkwiege anliegen, mit der Schwenkwiege gekoppelt sind. Bei den Gleiteinrichtungen handelt es sich vorteilhaft um Gleitschuhe, die auch als Kolbenschuhe bezeichnet werden. Die Gleiteinrichtungen sind vorteilhaft mit jeweils mindestens einer Durchtrittsöffnung ausgestattet, die den Durchtritt von Arbeitsmedium aus dem jeweiligen Zylinderraum ermöglicht.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Schwenkwiege für eine vorab beschriebene Axialkolbenmaschine. Die Schwenkwiege ist separat handelbar.
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Bei einem Verfahren zum Versorgen einer Lagerfläche einer Schwenkwiege einer Axialkolbenmaschine mit Schmiermedium, insbesondere einer vorab beschriebenen Axialkolbenmaschine, ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass als Schmiermedium Arbeitsmedium verwendet wird, das bei einem Umsteuervorgang von einem relativ hohen Druck auf einen niedrigen Druck entlastet wird. Dadurch kann die im Betrieb der Axialkolbenmaschine auftretende Verlustenergie auf einfache Art und Weise besonders vorteilhaft reduziert werden. Darüber hinaus wird die Versorgung der Lagerfläche der Schwenkwiege der Axialkolbenmaschine mit Schmiermedium verbessert.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren einen mobilen oder stationären Hydraulikantrieb mit einer vorab beschriebenen Axialkolbenmaschine. Die Axialkolbenmaschine in dem Hydraulikantrieb wird auch als Hydrostat bezeichnet. Der mobile Hydraulikantrieb ist vorzugsweise Teil eines Hydraulikhybridantriebsstrangs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Es zeigen:
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1 einen Hydrostaten in Axialkolbenbauart mit einer Verteilerplatte und einer Anschlussplatte im Längsschnitt;
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2 eine vereinfachte Darstellung einer erfindungsgemäßen Schwenkwiege mit Blick auf zwei Lagerflächen;
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3 die Schwenkwiege aus 2 mit Blick auf eine Lauffläche;
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4 einen vergrößerten Ausschnitt aus 1 zur Veranschaulichung eines Verlaufs eines erfindungsgemäßen Schmiermediumkanals und
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5 eine Detailansicht einer der Laufflächen aus 2.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist ein Hydrostat 1 in Axialkolbenbauart im Längsschnitt dargestellt. Der Hydrostat 1 kann auch als Axialkolbenmaschine bezeichnet werden. Die Axialkolbenmaschine 1 umfasst ein Gehäuse 2 mit einem Zylinder 3 und einer Antriebswelle 4.
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Die Axialkolbenmaschine 1 kann in einem offenen Kreislauf oder in einem geschlossenen Kreislauf betrieben werden. Beim offenen Kreislauf fließt ein Hydraulikmedium, wie Hydrauliköl, das auch als Druckflüssigkeit bezeichnet wird, von einem Tank zur Axialkolbenmaschine 1 und wird von dort über eine Ventileinrichtung zu einem Verbraucher gefördert. Vom Verbraucher fließt das Hydraulikmedium über die Ventileinrichtung zum Tank zurück. In einem geschlossenen Kreislauf fließt das Hydraulikmedium von der Axialkolbenmaschine zum Verbraucher und von dort direkt zurück zur Axialkolbenmaschine 1. Dabei gibt es eine Hochdruckseite und eine Niederdruckseite, die je nach Belastung wechseln kann.
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Wenn die Axialkolbenmaschine über die Antriebswelle 4 mechanisch angetrieben wird, dann arbeitet die Axialkolbenmaschine als Axialkolbenpumpe. Wenn die Axialkolbenmaschine hydraulisch über den Zylinder 3 angetrieben wird, dann arbeitet die Axialkolbenmaschine als Axialkolbenmotor. Die Axialkolbenmaschine 1 kann nur als Motor oder nur als Pumpe betrieben werden. Die Axialkolbenmaschine 1 kann prinzipiell aber auch im Wechsel sowohl als Pumpe als auch als Motor betrieben werden.
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Der Hydrostat 1 umfasst mehrere Kolben 5, die axial zu der Antriebswelle 4 angeordnet sind. Axial bedeutet in Richtung oder parallel zu einer Drehachse der Antriebswelle 4. Durch eine Schwenkwiege 8, die auch als Schrägscheibe bezeichnet wird, kann ein von der Axialkolbenmaschine geförderter Volumenstrom stufenlos verstellt werden. Daher wird der Hydrostat 1 mit der Schwenkwiege 8 auch als Verstellpumpe bezeichnet.
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Im Pumpenbetrieb wird die Antriebswelle 4 durch einen (nicht dargestellten) Antriebsmotor mit Drehmoment und Drehzahl angetrieben. Über die Antriebwelle 4, die auch als Triebwelle bezeichnet wird, wird der Zylinder 3, zum Beispiel über eine Verzahnung, mitgenommen und in Drehung versetzt. Bei jeder Umdrehung führen die Kolben 5 in Zylinderbohrungen des Zylinders 3 einen Hub aus, dessen Größe von der Schrägstellung der Schwenkwiege 8 abhängig ist.
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Zwischen der Schwenkwiege 8 und den Kolben 5 sind Gleiteinrichtungen 10 angeordnet, die auch als Kolbenschuhe oder Gleitschuhe 10 bezeichnet werden. Die Gleitschuhe oder Kolbenschuhe 10 werden mit den Kolben 5 durch eine Rückzugplatte 12 auf einer Gleitfläche der Schwenkwiege 8 gehalten und geführt.
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Durch die Schrägstellung der Schwenkwiege 8 bewegt sich jeder Kolben 5 während einer Umdrehung über einen unteren und einen oberen Totpunkt zurück in seine Ausgangslage. Dabei wird durch Steuergeometrien in einer Steuerplatte oder Verteilerplatte 13 eine dem Hubvolumen entsprechende Druckflüssigkeit zuund abgeführt. Die Verteilerplatte 13 ist zwischen dem Zylinder 3 und einer Anschlussplatte oder Adapterplatte 14 angeordnet.
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Auf einer Saugseite strömt Druckflüssigkeit in einen sich vergrößernden Kolbenraum. Gleichzeitig wird auf einer Hochdruckseite die Druckflüssigkeit durch die Kolben 5 aus dem Zylinderraum in ein angeschlossenes Hydrauliksystem gedrückt.
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Der Schwenkwinkel der Schwenkwiege 8 ist stufenlos verstellbar. Durch die Verstellung des Schwenkwinkels der Schwenkwiege 8 verändert sich der Kolbenhub und damit das Verdrängungsvolumen der Axialkolbenmaschine 1. Die Verstellung des Schwenkwinkels erfolgt hydraulisch über einen Stellkolben 15. Die Schwenkwiege 8 ist leicht gängig in Schwenklagern gelagert und wird von einem Gegenkolben 16 im Gleichgewicht gehalten. Bei einer Vergrößerung des Schwenkwinkels steigt das Verdrängungsvolumen der Axialkolbenmaschine 1, bei einer Verkleinerung verringert sich dieses entsprechend.
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In 2 ist eine erfindungsgemäße Schwenkwiege 20 mit Blick auf zwei Lagerflächen 21, 22 dargestellt. Die Lagerflächen 21, 22 sind konvex gekrümmt und dienen dazu, die Schwenkwiege 20 in einer Axialkolbenmaschine, wie sie in 1 dargestellt ist, um eine Schwenkachse schwenkbar zu lagern. Die Lagerfläche 21 der Schwenkwiege 20 ist mit einer Lagertasche 25 ausgestattet. In die Lagertasche 25 mündet ein Schmiermediumkanal 28.
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Der Schmiermediumkanal 28 erstreckt sich durch die Schwenkwiege 20 und ist daher in 2 nur gestrichelt dargestellt. Der gestrichelt dargestellte Schmiermediumkanal 28 geht von einem Umsteuerbereich 30 einer Lauffläche der Schwenkwiege 21 aus. Die Lauffläche der Schwenkwiege 20 ist der in 2 sichtbaren Seite der Schwenkwiege 20 mit den Lagerflächen 21, 22 abgewandt.
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In 3 ist die Schwenkwiege 20 aus 2 mit Blick auf eine Lauffläche 32 dargestellt. In der Lauffläche 32 ist gestrichelt ein Teilkreis 34 eingezeichnet. Im Umsteuerbereich 30 ist durch einen Kreis 35 ein Kolben angedeutet, der sich im Betrieb der Axialkolbenmaschine entlang des Teilkreises 34 bewegt.
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Wenn die zugehörige Axialkolbenmaschine als Axialkolbenmotor betrieben wird, dann bewegen sich die Kolben mit dem Zylinder im Uhrzeigersinn relativ zu der Lauffläche 32 der Schwenkwiege 20. Wenn die Axialkolbenmaschine als Axialkolbenpumpe betrieben wird, dann bewegen sich die Kolben mit dem Zylinder im Gegenuhrzeigersinn relativ zu der Lauffläche 32 der Schwenkwiege 20.
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Im Pumpenbetrieb wird der Umsteuerbereich 30 durch einen inneren Totpunkt 41 definiert. Der Umsteuerbereich 30 entspricht vorzugsweise einem Winkelbereich von circa plus/minus 15 Grad um den inneren Totpunkt 41. Der innere Totpunkt 41 ist in 3 oben angeordnet. Ein äußerer Totpunkt 42 ist in 3 unten angeordnet. Am inneren Totpunkt 41 sind die Kolben der Axialkolbenmaschine ganz eingefahren, wobei das zugehörige Zylindervolumen am kleinsten ist. Am äußeren Totpunkt 42 sind die Kolben vollständig ausgefahren.
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In dem Umsteuerbereich 30 wird das Arbeitsmediumvolumen der einzelnen Verdrängerräume, die von den Kolben der Axialkolbenmaschine begrenzt werden, von Hochdruck auf Niederdruck expandiert. Bei dem Arbeitsmedium handelt es sich vorzugsweise um Öl. Daher wird das Arbeitsmediumvolumen auch als Ölvolumen bezeichnet.
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Bei herkömmlichen Axialkolbenmaschinen wird normalerweise ein Teil des Ölvolumens aus dem Umsteuerbereich verlustbehaftet in den Niederdruckbereich abgespritzt. Die sich daraus ergebende Verlustenergie wird gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung vorteilhaft genutzt, um die Schwenkwiegenlagerung kurzzeitig hydrostatisch zu entlasten.
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Zu diesem Zweck erstreckt sich der Schmiermediumkanal 28 von dem Umsteuerbereich 30 zu der Lagerfläche 21. Da die Lagerfläche 21 in 3 nicht sichtbar ist, ist die Lagerfläche 21 in 3 nur gestrichelt angedeutet. Dasselbe gilt für den Schmiermediumkanal 28, der sich durch die Schwenkwiege 20 hindurch erstreckt.
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Im Motorbetrieb der Axialkolbenmaschine ist der Umsteuerbereich, wie durch einen Doppelpfeil 44 in 3 angedeutet ist, diametral zu dem Umsteuerbereich 30 angeordnet. Der Schmiermediumkanal 28 erstreckt sich von einem Ausgangspunkt 45 in der Lauffläche 32 durch die Schwenkwiege 20 hindurch zur Lagerfläche 21 auf der anderen Seite der Schwenkwiege 20. Für eine im Motorbetrieb arbeitende Axialkolbenmaschine ist in 3 ein Schmiermediumkanal 48 gestrichelt eingezeichnet, der sich von einem Ausgangspunkt 46 in der Lauffläche 32 durch die Schwenkwiege 20 zur Lagerfläche 21 auf der anderen Seite der Schwenkwiege 20 erstreckt.
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In 4 ist ein im Schnitt dargestellter Kolben 50 in einem Zylinder 3 hin und her bewegbar geführt. Der Zylinder 3 ist zwischen einer Verteilerplatte 13 und einer Schwenkwiege 20 angeordnet. Dabei ist der Kolben 50 über eine als Kolbenschuh ausgeführte Gleiteinrichtung 10 mit der Schwenkwiege 20 gekoppelt. Der Kolbenschuh 10 liegt gleitend an einer Lauffläche 32 der Schwenkwiege 20 an.
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Ein Schmiermediumkanal 28 erstreckt sich von der Lauffläche 32 zu einer Lagerfläche 21 der Schwenkwiege 20. Die Lagerfläche 21 der Schwenkwiege 20 ist einer Lagerschale 54 zugewandt. Die Lagerschale 54 ist in einem Gehäuse 2 einer Axialkolbenmaschine, wie sie in 1 dargestellt ist, positioniert. Der Schmiermediumkanal 28 erstreckt sich, anders als in 4 dargestellt, nicht senkrecht, sondern schräg durch die Schwenkwiege 20.
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Der Kolben 50 begrenzt in dem Zylinder 3 einen Zylinderraum 55. Der Zylinderraum 55 ist über einen Verbindungskanal 56, der sich durch den Kolben 50 und den Kolbenschuh 10 erstreckt, mit einer Ausnehmung 57 verbunden, die an einem dem Kolben 50 abgewandten Ende des Kolbenschuhs 10 ausgebildet ist. Die Ausnehmung 57 des Kolbenschuhs 10 ist der Lauffläche 32 der Schwenkwiege 20 zugewandt.
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Durch einen Pfeil 58 ist in 4 die Bewegung des Zylinders 3 mit dem Kolben 50 im Betrieb der Axialkolbenmaschine angedeutet. Wenn der Kolbenschuh 10 mit der Ausnehmung 57 den Ausgangspunkt des Schmiermediumkanals 28 in der Lauffläche 32 überfährt, dann wird der Zylinderraum beziehungsweise das Verdrängungsvolumen 55, das von dem Kolben 50 begrenzt wird, über den Verbindungskanal 56 und den Schmiermediumkanal 28 mit der Lagertasche in der Lagefläche 21 verbunden.
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In 5 ist die Lauffläche 21 der Schwenkwiege 20 vergrößert in der Draufsicht dargestellt. In der vergrößerten Draufsicht sieht man, dass in der Lauffläche 21 zusätzlich zu der Lagertasche 25 Schmiernuten 60 ausgebildet sind. Die Schmiernuten 60 sind kreuzweise angeordnet.
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Im Bereich der Schmiernuten 60 ist eine Abflussöffnung 62 in der Nähe der Lagertasche 25 angeordnet. Von der Abflussöffnung 62 in der Lagerfläche 21 erstreckt sich ein nicht näher dargestellter Abflusskanal in den Niederdruckbereich der Axialkolbenmaschine. Das abzusteuernde Dekompressionsöl kann über die Schmiernuten 60, die Abflussöffnung 62 und den Abflusskanal in den Niederdruckbereich abfließen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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