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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 um eine Schwenkachse zwischen Schwenkendpunkten verschwenkbar ist, wobei die Schwenkwiege mit Hilfe von mindestens einem Stellkolben verschwenkt wird, der in Richtung einer Translationsachse hin und her bewegbar geführt ist.
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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, eine Axialkolbenmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere im Hinblick auf einen im Betrieb der Axialkolbenmaschine auftretenden Verschleiß, zu optimieren.
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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 um eine Schwenkachse zwischen Schwenkendpunkten verschwenkbar ist, wobei die Schwenkwiege mit Hilfe von mindestens einem Stellkolben verschwenkt wird, der in Richtung einer Translationsachse hin und her bewegbar geführt ist, dadurch gelöst, dass die Translationsachse zur Führung des Stellkolbens quer zu einer Drehachse eines Zylinders der Axialkolbenmaschine hin verschoben ist. Dadurch kann im Betrieb der Axialkolbenmaschine auf einfache Art und Weise eine Relativbewegung zwischen dem Stellkolben und der Schwenkwiege reduziert werden. Dadurch wiederum kann eine unerwünschte Kolbenverkippung minimiert werden. Des Weiteren kann ein unerwünschter Verschleiß eines Dichtelements, das an einem Kolbenfuß des Stellkolbens angebracht sein kann, und der Kolbenführung reduziert werden. Quer bedeutet senkrecht zur Drehachse des Zylinders.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Axialkolbenmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass die Translationsachse zur Führung des Stellkolbens um einen Teil eines Querversatzes des Stellkolbens zu der Drehachse des Zylinders hin verschoben ist. Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird die Translationsachse zur Führung des Stellkolbens nicht um den gesamten Querversatz verschoben, sondern nur um einen Teil des Querversatzes.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Axialkolbenmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass die Translationsachse zur Führung des Stellkolbens um die Hälfte des Querversatzes des Stellkolbens zu der Drehachse des Zylinders hin verschoben ist. Mit dieser Querverschiebung der Translationsachse wurden bei im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchgeführten Untersuchungen die besten Ergebnisse erzielt.
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Die oben angegebene Aufgabe ist bei einer vorab beschriebenen Axialkolbenmaschine alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass die Translationsachse zur Führung des Stellkolbens nicht parallel zur Drehachse des Zylinders der Axialkolbenmaschine angeordnet ist, sondern in einem Neigungswinkel zu der Drehachse beziehungsweise zu einer Parallelen der Drehachse geneigt ist. Diese Maßnahme in Bezug auf die Translationsachse kann mit der vorab beschriebenen Verschiebung der Translationsachse kombiniert werden. Die beschriebenen Maßnahmen können aber auch einzeln angewendet werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Axialkolbenmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass die geneigte Translationsachse durch einen oberen Schwenkendpunkt der Schwenkwiege verläuft. Der obere Schwenkendpunkt der Schwenkwiege entspricht zum Beispiel der Auslenkung eines Anlenkpunkts des Stellkolbens an der Schwenkwiege, wenn die Schwenkwiege um einen maximalen Schwenkwinkel aus einer Mittelstellung oder Grundstellung nach oben verschwenkt worden ist.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Axialkolbenmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel der Translationsachse einem Teil eines Versatzwinkels zwischen einer Schwenkkreissehne, die durch zwei Schwenkendpunkte der Schwenkwiege verläuft, und der Drehachse beziehungsweise einer Parallelen zu der Drehachse entspricht. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Translationsachse nicht um den gesamten Versatzwinkel geneigt, sondern nur um einen Teil des Versatzwinkels zwischen der Schwenkkreissehne und der Drehachse beziehungsweise der Parallelen zu der Drehachse.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Axialkolbenmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel der Translationsachse der Hälfte des Versatzwinkels entspricht. Damit wurden bei im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchgeführten Untersuchungen die besten Ergebnisse erzielt.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Axialkolbenmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass der Stellkolben an die Schwenkwiege angelenkt ist. Der Stellkolben kann zum Beispiel einen Kugelkopf aufweisen, mit dem der Stellkolben direkt an die Schwenkwiege angelenkt ist.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Axialkolbenmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass der Stellkolben unter Zwischenschaltung einer Gleiteinrichtung, die gleitend an der Schwenkwiege anliegt, mit der Schwenkwiege gekoppelt ist. Der Stellkolben ist also nicht direkt an die Schwenkwiege angelenkt, sondern nur indirekt mit dieser gekoppelt.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Führungseinrichtung für eine vorab beschriebene Axialkolbenmaschine. Die Führungseinrichtung wird zum Beispiel durch ein Gehäuse mit einer entsprechenden Gehäusebohrung dargestellt. Ein wesentliches Merkmal der erfindungsgemäßen Führungseinrichtung, die separat handelbar ist, stellt die Translationsachse des Stellkolbens dar, die gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung verschoben und/oder geneigt ist.
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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 einen Ausschnitt aus 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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3 eine Schwenkwiege allein zur Veranschaulichung der Erfindung und
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4 einen vergrößerten Ausschnitt aus 3.
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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 zu- und abgeführt. Die Verteilerplatte 13 ist zwischen dem Zylinder 3 und einer Anschlussplatte oder Adapterplatte 14 angeordnet.
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Auf einer Saugseite strömt im Pumpenbetrieb 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 ein Ausschnitt einer ähnlichen Axialkolbenmaschine 21 wie in 1 dargestellt. Die Axialkolbenmaschine 21 umfasst ein Gehäuse 22, in welchem eine Antriebswelle 24 um eine nicht näher bezeichnete Drehachse drehbar angeordnet ist.
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Ein Stellkolben 26 ist über einen Kugelkopf 30 an eine Schwenkwiege 28 angelenkt. Der Stellkolben 26 weist an seinem dem Kugelkopf 30 abgewandten Ende einen Kolbenfuß 32 auf, der sphärisch ausgebildet ist. Zur Abdichtung ist an dem Kolbenfuß 32 ein Dichtelement 35 angeordnet. Das Dichtelement 35 am Kolbenfuß 32 des Stellkolbens 26 dient zur Abdichtung eines Stellraums 36 in dem Gehäuse 22.
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Über einen Stelldruck in dem Stellraum 36 kann auf einfache Art und Weise ein Verschwenken der Schwenkwiege 28 um eine Schwenkachse bewirkt werden. Beim Verschwenken der Schwenkwiege 28 bewegt sich ein Anlenkpunkt zwischen dem Stellkolben 26 und der Schwenkwiege 28 auf einem Kreisbogen, der durch einen Doppelpfeil 37 angedeutet ist. Durch einen weiteren Doppelpfeil 38 ist eine Translationsbewegung des Stellkolbens 26 angedeutet. Durch einen weiteren Doppelpfeil 39 ist angedeutet, dass die Translationsbewegung 38 des Stellkolbens 26 von einer Verkippung überlagert wird.
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Die Kinematik des Stellkolbens 26 ist durch den Anlenkpunkt und durch die Führung des Kolbenfußes 32 in dem Gehäuse 22 beziehungsweise in einer entsprechenden Führungsbuchse bestimmt. In der vorliegenden Erfindung geht es darum, die Kolbenverkippung 39 des Stellkolbens 26 zu minimieren.
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In 3 ist die Schwenkwiege 28 allein dargestellt. Durch eine gestrichelte Linie 40 ist eine Drehachse der Antriebswelle der Axialkolbenmaschine angedeutet. Die Schwenkwiege 28 ist um eine Schwenkachse 41 schwenkbar, die sich senkrecht zur Zeichenebene der 3 erstreckt.
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Ein Schwenkkreis der Schwenkwiege 28 ist durch einen gestrichelten Kreisbogen 43 angedeutet. Durch Doppelpfeile 44 und 45 sind Schwenkwinkel angedeutet, um welche die Schwenkwiege 28 aus einer in 3 dargestellten Mittelstellung oder Grundstellung nach oben oder nach unten gegen den Uhrzeigersinn oder im Uhrzeigersinn verschwenkbar ist.
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Die Schwenkwiege 28 ist in einem Anlenkpunkt 46 mit einem (in 3 nicht dargestellten) Stellkolben gekoppelt. Bei einer Schwenkbewegung gegen den Uhrzeigersinn in Richtung des Doppelpfeils 44 bewegt sich der Anlenkpunkt 46 bis zu einem oberen Schwenkendpunkt 47. Bei einem Verschwenken im Uhrzeigersinn in Richtung des Doppelpfeils 45 bewegt sich der Anlenkpunkt 46 bis zu einem unteren Schwenkendpunkt 48.
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In 4 ist ein Ausschnitt aus 3 vergrößert dargestellt. In dem vergrößerten Ausschnitt sieht man, dass sich eine gestrichelte Linie 50 parallel zur Drehachse der Antriebswelle der Axialkolbenmaschine durch den oberen Schwenkendpunkt 47 erstreckt. Eine gestrichelte Line 51 erstreckt sich durch die beiden Schwenkendpunkte 47 und 48. Die gestrichelte Linie 51 stellt eine Kreissehne des Schwenkkreises 43 dar.
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Durch ein Rechteck 53 ist eine Kolbenführung oder Translationsachse des Stellkolbens (26 in 2) angedeutet. Durch einen Doppelpfeil 54 ist ein Winkel zwischen der Kreissehne 51 und der gestrichelten Linie 50 angedeutet, die sich parallel zur Drehachse der Antriebswelle der Axialkolbenmaschine erstreckt.
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Bei einem kompletten Durchschwenken der Schwenkwiege 28 zwischen den beiden Schwenkendpunkten 47 und 48 tritt ein, bezogen auf den Schwenkkreis 43, radialer Versatz auf, der in 4 durch einen Doppelpfeil 55 angedeutet ist. In der vorliegenden Erfindung geht es darum, den radialen Versatz 55 zu minimieren, der auch als Querersatz bezeichnet wird.
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Durch ein Rechteck 56 ist in 4 angedeutet, dass die Führung beziehungsweise Translationsachse des Stellkolbens in die Mitte des radialen Versatzes 55 verschoben wird. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass der Stellkolben in beiden Richtungen um den gleichen Winkel verkippt.
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Durch ein Rechteck 59 ist angedeutet, dass die Kolbenführung oder Translationsachse des Stellkolbens gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung um den Winkel 54 geneigt wird. Durch diese Maßnahme kann die Verkippung des Stellkolbens von dem Doppelpfeil 55 auf einen Doppelpfeil 58 reduziert werden.
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Durch ein Rechteck 60 ist angedeutet, dass die beiden vorab geschilderten Maßnahmen kombiniert werden können. Durch das Rechteck 60 ist angedeutet, dass die Kolbenführung oder Translationsachse um den Winkel 54 geneigt und in die Mitte von dem Doppelpfeil 58 verschoben wird.
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Die vorab geschilderten Maßnahmen zur Minimierung der Stellkolbenverkippung können auch bei Stellkolben mit Gleitschuhen angewendet werden, wie sie in 1 dargestellt sind. Allerdings wird bei den Stellkolben mit Gleitschuhen nicht die Verkippung, sondern der Gleitweg von dem Stellkolben beziehungsweise den Gleitschuhen relativ zur Schwenkwiege minimiert. Dadurch kann, wie bei der Minimierung des Verkippungswinkels, der Verschleiß minimiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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