DE102013218124A1

DE102013218124A1 - Schrägscheibenmaschine

Info

Publication number: DE102013218124A1
Application number: DE201310218124
Authority: DE
Inventors: Matthias Greiner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-09-11
Filing date: 2013-09-11
Publication date: 2015-03-12
Also published as: WO2015036176A1

Abstract

Schrägscheibenmaschine (1) als Axialkolbenpumpe (2) und/oder Axialkolbenmotor (3), umfassend eine um eine Rotationsachse (8) drehbar bzw. rotierend gelagerte Zylindertrommel (5) mit Kolbenbohrungen (6), in den Kolbenbohrungen (6) in Richtung einer Längsachse der Kolbenbohrungen (6) beweglich gelagerte Kolben (7), eine mit der Zylindertrommel (5) zumindest drehfest verbundene Antriebswelle (9), welche um die Rotationsachse (8) drehbar bzw. rotierend gelagert ist, eine um eine Schwenkachse (15) verschwenkbar gelagerte Schwenkwiege (14) mit einer Auflagefläche (18) zur Lagerung der Kolben (7) auf der Auflagefläche (18), wobei die Schrägscheibenmaschine (1) eine Vorrichtung (23) zur Begrenzung einer Kippbewegung der Zylindertrommel (5) umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schrägscheibenmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und einen Antriebsstrang gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 12.
Stand der Technik
Schrägscheibenmaschinen dienen als Axialkolbenpumpen zur Umwandlung von mechanischer Energie in hydraulische Energie und als Axialkolbenmotor zur Umwandlung von hydraulischer Energie in mechanische Energie. Eine Zylindertrommel mit Kolbenbohrungen ist drehbar bzw. rotierend gelagert und in den Kolbenbohrungen sind Kolben angeordnet. Die Zylindertrommel ist drehfest mit einer Antriebswelle verbunden und auf einen ersten Teil der rotierenden Kolbenbohrungen wirkt temporär eine Hydraulikflüssigkeit unter Hochdruck und auf einen zweiten Teil der rotierenden Kolbenbohrungen wirkt temporär eine Hydraulikflüssigkeit unter Niederdruck. Eine Schwenkwiege ist um eine Schwenkachse verschwenkbar gelagert und auf der Schwenkwiege liegen Gleitschuhe auf. An den Gleitschuhen sind die Kolben befestigt. Die Rückhaltescheibe mit den Gleitschuhen führt zusammen mit der Zylindertrommel eine Rotationsbewegung um eine Rotationsachse aus und eine ebene Auflagefläche der Schwenkwiege ist dabei in einem spitzen Winkel, zum Beispiel zwischen 0° und +20° und zwischen 0° und –20° als Schwenkwinkel, zu der Rotationsachse der Zylindertrommel ausgerichtet. Die Gleitschuhe sind mit einer Gleitlagerung, welche im Allgemeinen hydrostatisch entlastet ist, auf der Auflagefläche der Schwenkwiege gelagert und die Gleitschuhe sind mit der Rückhaltescheibe verbunden. Die Zylindertrommel wird von einer Zentralfeder auf eine Ventilscheibe als Anschlussplatte gedrückt. Dies ist insbesondere bei der Inbetriebnahme der Schrägscheibenmaschine erforderlich, weil in den Kolbenbohrungen die Hydraulikflüssigkeit einen geringen Druck aufweist, so dass auf die Kolben nur geringe Druckkräfte auf die Auflagefläche der Schwenkwiege aufbringen und dadurch die Zylindertrommel nur mit sehr geringen hieraus resultierenden Gegenkräften auf die Ventilscheibe gedrückt ist. Im Betrieb der Schrägscheibenmaschine weisen bei einer verschwenkten Schwenkwiege die Kolben in den Kolbenbohrungen unterschiedliche axiale Positionen auf, so dass auf die Kolben unterschiedliche Zentripetalkräfte wirken aufgrund der Rotationsbewegung der Zylindertrommel. Dies führt zu einer Kippbewegung der Zylindertrommel, welche zu Undichtigkeiten zwischen den Kolbenbohrungen der Zylindertrommel und der Ventilscheibe führt. Eine starke Kippbewegung würde zu großen hydraulischen Verlusten zwischen Kolbenbohrungen der Zylindertrommel und der Ventilscheibe führen, so dass die maximale Drehzahl der Schrägscheibenmaschine hiervon begrenzt und klein ist.
Die EP 1 013 928 A2 zeigt eine Axialkolbenpumpe in Schrägscheibenbauweise mit einer angetriebenen umlaufenden und eine Mehrzahl von darin angeordneten Kolbenbohrungen aufweisenden Zylindertrommel, wobei in den jeweils durch Stege voneinander getrennten Kolbenbohrungen linear zwischen einem unteren Totpunkt und einem oberen Totpunkt bewegliche Kolben angeordnet sind und eine Niederdruckanschlussniere und eine Hochdruckanschlussniere aufweisende Steuerscheibe vorgesehen ist.
Die CH 405 934 zeigt eine Schrägscheibenaxialkolbenpumpe, deren nicht umlaufender Zylinderblock zum Verändern der Fördermenge in Abhängigkeit vom Förderdruck längs verschiebbar ist, wobei an dem durch eine Feder in Richtung der Erhöhung der Fördermenge gedrückten Zylinderblock eine Steuerschiebereinheit mit einem Schieberkolben befestigt ist.
Die DE 27 33 870 C2 zeigt eine Steuereinrichtung für eine Schrägenscheibenaxialkolbenpumpe, bei der an beiden Seiten der Wiege zur Verschwenkung der Schrägscheibe je ein hydraulisch beaufschlagter Schwenkflügel am Motor angreift, wobei beide Motoren mittels eines um die Schwenkachse der Wiege verschwenkbar angeordneten plattenförmigen Steuerventilschiebers steuerbar sind und zur Einstellung der Fördermenge der Pumpe dienen.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäße Schrägscheibenmaschine als Axialkolbenpumpe und/oder Axialkolbenmotor, umfassend eine um eine Rotationsachse drehbar bzw. rotierend gelagerte Zylindertrommel mit Kolbenbohrungen, in den Kolbenbohrungen in Richtung einer Längsachse der Kolbenbohrungen beweglich gelagerte Kolben, eine mit der Zylindertrommel zumindest drehfest verbundene Antriebswelle, welche um die Rotationsachse drehbar bzw. rotierend gelagert ist, eine um eine Schwenkachse verschwenkbar gelagerte Schwenkwiege mit einer Auflagefläche zur Lagerung der Kolben auf der Auflagefläche, wobei die Schrägscheibenmaschine eine Vorrichtung zur Begrenzung einer Kippbewegung der Zylindertrommel umfasst. Die Vorrichtung zur Begrenzung der Kippbewegung der Zylindertrommel begrenzt einen Kippwinkel der Zylindertrommel, sodass die Zylindertrommel nur bis zu einem maximalen Kippwinkel, insbesondere als Kippgrenzwinkel, verkippt werden kann. Dadurch weist die Zylindertrommel der Schrägscheibenmaschine in vorteilhafter Weise keine großen Kippwinkel auf, so dass dadurch ein Taumeln der Zylindertrommel aufgrund eines großen Kippwinkels vermieden und damit auch ein Schaden an der Schrägscheibenmaschine hieraus resultierend vermieden werden kann in vorteilhafter Weise. Eine Kippbewegung der Zylindertrommel führt darüber hinaus zu hydraulischen Verlusten zwischen den Kolbenbohrungen an der Zylindertrommel und einer Hoch- und Niederdrucköffnung an einer Ventilscheibe der Schrägscheibenmaschine. Durch eine Begrenzung der Kippbewegung der Zylindertrommel bzw. einer Begrenzung des Kippwinkels der Zylindertrommel sind auch die hydraulischen Verluste zwischen der Zylindertrommel und der Ventilscheibe begrenzt. Dadurch weist die Schrägscheibenmaschine in vorteilhafter Weise nur geringe hydraulische Verluste auf.
In einer ergänzenden Variante begrenzt die Vorrichtung zur Begrenzung der Kippbewegung der Zylindertrommel eine Kippbewegung der Zylindertrommel um eine Kippachse senkrecht zu der Rotationsachse der Zylindertrommel. Die Kippachse ist im Wesentlichen senkrecht zu der Rotationsachse der Zylindertrommel und/oder im Wesentlichen senkrecht zu der Längsachse der Antriebswelle ausgerichtet, das heißt mit einer Abweichung von weniger als 10°, 5° oder 3° senkrecht zu der Rotationsachse der Zylindertrommel und/oder senkrecht zu der Längsachse der Antriebswelle ausgerichtet.
In einer weiteren Ausführungsform begrenzt die Vorrichtung zur Begrenzung der Kippbewegung der Zylindertrommel die Kippbewegung der Zylindertrommel nur ab einem Kippgrenzwinkel. Zur Begrenzung der Kippbewegung der Zylindertrommel ist ein mechanischer Kontakt zwischen der Vorrichtung und der Zylindertrommel erforderlich. Weist die Zylindertrommel keinen Kippwinkel oder nur einen Kippwinkel unterhalb des Kippgrenzwinkels auf, tritt kein Kontakt zwischen der Vorrichtung und der Zylindertrommel auf und damit auch keine Reibung zwischen der Vorrichtung und der Zylindertrommel. In vorteilhafter Weise wirkt somit die Vorrichtung zur Begrenzung der Kippbewegung der Zylindertrommel erst ab einem Kippgrenzwinkel, welcher zu größeren hydraulischen Verlusten oder einem Taumeln der Zylindertrommel führen würde.
In einer ergänzenden Variante ist die Vorrichtung zur Begrenzung der Kippbewegung der Zylindertrommel als eine, insbesondere ausschließliche, mechanische Vorrichtung ausgebildet. Die Vorrichtung zur Begrenzung der Kippbewegung weist somit beispielsweise keine elektrischen, pneumatischen oder hydraulischen Aktuatoren zur Bewegung der Vorrichtung auf und/oder die mechanische Vorrichtung ist feststehend und/oder unbeweglich.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist die Vorrichtung zur Begrenzung der Kippbewegung der Zylindertrommel als eine Zylindertrommellagerung ausgebildet, vorzugsweise als Zylindertrommelgleitlagerung oder als Zylindertrommelwälzlagerung. Die Zylindertrommellagerung als der Vorrichtung ist vorzugsweise eine fakultative Zylindertrommellagerung, da die Zylindertrommellagerung vorzugsweise nur ab einem Kippgrenzwinkel zur Lagerung der Zylindertrommel wirkt.
In einer weiteren Ausführungsform steht die Zylindertrommellagerung mit einer radialen Außenseite der Zylindertrommel in Kontakt oder ist in Kontakt bringbar zur Begrenzung der Kippbewegung der Zylindertrommel. Die radiale Außenseite der Zylindertrommel ist eine besonders effektive Außenseite der Zylindertrommel zur Begrenzung des Kippwinkels der Zylindertrommel, da sich bei einer Kippbewegung der Zylindertrommel der Abstand der radialen Außenseite zu der Längsachse der Antriebswelle verändert.
In einer zusätzlichen Ausführungsform steht die Zylindertrommellagerung mit einem axialen Abstand zu einem axialen Ende der Zylindertrommel in Kontakt oder ist in Kontakt bringbar und das axiale Ende der Zylindertrommel ist ein zu der Schwenkwiege abgewandtes axiales Ende und der axiale Abstand beträgt wenigstens 10%, 20%, 30% oder 40% der axialen Gesamtausdehnung der Zylindertrommel. Ein ausreichender axialer Abstand der Zylindertrommellagerung zu dem axialen Ende der Zylindertrommel ist erforderlich, damit von der Zylindertrommellagerung ein entsprechend ausgerichtet großes Gegendrehmoment bezüglich der Kippachse der Zylindertrommel auf die Zylindertrommel aufbringbar ist zur Begrenzung der Kippbewegung der Zylindertrommel, weil die Kippachse im Bereich einer fiktiven Ebene positioniert ist und die fiktive Ebene auf dem axialen Ende der Zylindertrommel aufliegt, wobei dieses axiale Ende ein zu der Schwenkwiege abgewandtes axiales Ende der Zylindertrommel ist.
Vorzugsweise steht die Zylindertrommellagerung tangential vollständig umlaufend in Kontakt oder ist in Kontakt bringbar mit der radialen Außenseite der Zylindertrommel oder die Zylindertrommellagerung steht tangential umlaufend nur an wenigstens zwei oder drei Bereichen in Kontakt oder ist in Kontakt bringbar mit der radialen Außenseite der Zylindertrommel. Steht die Zylindertrommel an drei Bereichen in Kontakt oder ist an drei Bereichen mit der Zylindertrommel an der radialen Außenseite in Kontakt bringbar, ist die Zylindertrommellagerung beispielsweise als eine Dreipunktlagerung für die Zylindertrommel bezüglich einer Kippbewegung der Zylindertrommel ausgebildet.
In einer ergänzenden Ausführungsform weist die Zylindertrommellagerung bei einem Kippwinkel von 0° einen Abstand zu der radialen Außenseite der Zylindertrommel auf. Die Zylindertrommellagerung weist bei einem Kippwinkel von 0° einen Abstand zu der radialen Außenseite der Zylindertrommel auf und erst bei einer Kippbewegung der Zylindertrommel bis zu einem Kippgrenzwinkel tritt ein Kontakt zwischen der Zylindertrommellagerung und der radialen Außenseite der Zylindertrommel auf. Bei keinem oder nur einem geringen Kippwinkel der Zylindertrommel treten somit keiner Reibungskräfte zwischen der Zylindertrommellagerung und der radialen Außenseite der Zylindertrommel auf. Dadurch wirkt die Zylindertrommellagerung in vorteilhafter Weise nur dann, wenn dies erforderlich ist für den Betrieb der Schrägscheibenmaschine, um einen großen Kippwinkel der Zylindertrommel zu verhindern.
In einer ergänzenden Ausgestaltung umfasst die Schrägscheibenmaschine ein Gehäuse und die Vorrichtung, insbesondere die Zylindertrommellagerung, ist fest mit dem Gehäuse verbunden, insbesondere ist die Zylindertrommelgleitlagerung von dem Gehäuse gebildet.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung weist die Zylindertrommelgleitlagerung eine tribologische Beschichtung, z. B. aus Kohlenstoff, Messing, PTFE oder PEEK, auf. Die tribologische Beschichtung reduziert die Reibleistung zwischen der Zylindertrommellagerung und der radialen Außenseite der Zylindertrommel. Dadurch kann in vorteilhafter Weise der Wirkungsgrad der Schrägscheibenmaschine zusätzlich verbessert werden.
Erfindungsgemäßer Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, umfassend wenigstens eine Schrägscheibenmaschine zur Umwandlung von mechanischer Energie in hydraulische Energie und umgekehrt, wenigstens einen Druckspeicher, wobei die Schrägscheibenmaschine als eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Schrägscheibenmaschine ausgebildet ist.
Vorzugsweise umfasst der Antriebsstrang zwei Schrägscheibenmaschinen, welche hydraulisch miteinander verbunden sind und als hydraulisches Getriebe fungieren und/oder der Antriebsstrang umfasst zwei Druckspeicher als Hochdruckspeicher und Niederdruckspeicher.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Schrägscheibenmaschine eine Wiegenlagerung für die Schwenkwiege.
Zweckmäßig umfasst die Schrägscheibenmaschine wenigstens eine Schwenkeinrichtung zum Verschwenken der Schwenkwiege.
In einer weiteren Variante umfasst die Schrägscheibenmaschine eine Niederdrucköffnung zum Ein- und/oder Ausleiten von Hydraulikflüssigkeit in die und/oder aus den rotierenden Kolbenbohrungen.
In einer zusätzlichen Ausführungsform umfasst die Schrägscheibenmaschine eine Hochdrucköffnung zum Aus- und/oder Einleiten von Hydraulikflüssigkeit aus den und/oder in die rotierenden Kolbenbohrungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
1 einen Längsschnitt einer Schrägscheibenmaschine,
2 einen Querschnitt A-A gemäß 1 einer Ventilscheibe der Schrägscheibenmaschine sowie eine Ansicht einer Schwenkwiege,
3 eine Längsachse der Antriebswelle und der Zylindertrommel bei einem verkippten Zylindertrommel und
4 einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug.
Ausführungsformen der Erfindung
Eine in 1 in einem Längsschnitt dargestellte Schrägscheibenmaschine 1 dient als Axialkolbenpumpe 2 zur Umsetzung bzw. Umwandlung mechanischer Energie (Drehmoment, Drehzahl) in hydraulische Energie (Volumenstrom, Druck) oder als Axialkolbenmotor 3 zur Umsetzung bzw. Umwandlung hydraulischer Energie (Volumenstrom, Druck) in mechanische Energie (Drehmoment, Drehzahl). Eine Antriebswelle 9 ist mittels einer Lagerung 10 an einem Flansch 21 eines- oder mehrteiligen Gehäuse 4 und mit einer weiteren Lagerung 10 an dem Gehäuse 4 der Schrägscheibenmaschine 1 um eine Rotationsachse 8 drehbar bzw. rotierend gelagert (1). Mit der Antriebswelle 9 ist eine Zylindertrommel 5 drehfest verbunden, da zwischen der Antriebswelle 9 und der Zylindertrommel 5 eine drehfeste Verbindung 43 vorhanden ist, wobei die Antriebswelle 9 und die Zylindertrommel 5 zweiteilig ausgebildet sind. Die Zylindertrommel 5 führt die Rotationsbewegung der Antriebswelle 9 mit aus aufgrund einer drehfesten Verbindung. In die Zylindertrommel 5 sind eine Vielzahl von Kolbenbohrungen 6 mit einem beliebigen Querschnitt, zum Beispiel quadratisch oder kreisförmig, eingearbeitet. Die Längsachsen der Kolbenbohrungen 6 sind dabei im Wesentlichen parallel zu der Rotationsachse 8 der Antriebswelle 9 bzw. der Zylindertrommel 5 ausgerichtet. In den Kolbenbohrungen 6 ist jeweils ein Kolben 7 beweglich gelagert. Eine Schwenkwiege 14 ist um eine Schwenkachse 15 verschwenkbar an dem Gehäuse 4 gelagert. Die Schwenkachse 15 ist senkrecht zu der Zeichenebene von 1 und parallel zu der Zeichenebene von 2 ausgerichtet. Die Rotationsachse 8 der Zylindertrommel 5 ist parallel zur und in der Zeichenebene von 1 angeordnet und senkrecht auf der Zeichenebene von 2. Das Gehäuse 4 begrenzt flüssigkeitsdicht einen Innenraum 44, der mit Hydraulikflüssigkeit befüllt ist.
Die Schwenkwiege 14 weist eine ebene bzw. plane Auflagefläche 18 zur mittelbaren Auflage einer Rückhaltescheibe 37 und zur unmittelbaren Auflage von Gleitschuhen 39 auf. Die Rückhaltescheibe 37 ist mit einer Vielzahl von Gleitschuhen 39 verbunden, indem die Gleitschuhe in Bohrungen der Rückhaltescheibe 37 angeordnet sind und jeder Gleitschuh 39 ist dabei mit jeweils einem Kolben 7 verbunden. Die Rückhaltescheibe 37 weist eine Öffnung 38 zur Durchführung der Antriebswelle 9 auf. Dabei weist der Gleitschuh 39 eine Lagerkugel 40 (1) auf, welcher in einer Lagerpfanne 59 an dem Kolben 7 befestigt ist, sodass eine Kolbenverbindungsstelle 22 zwischen der Lagerkugel 40 und der Lagerpfanne 59 an dem Kolben 7 ausgebildet ist. Die teilweise sphärisch ausgebildete Lagerkugel 40 und Lagerpfanne 59 sind beide komplementär bzw. sphärisch ausgebildet, so dass dadurch bei einer entsprechenden Bewegungsmöglichkeit zueinander zwischen der Lagerkugel 40 und der Lagerpfanne 59 an den Kolben 7 eine ständige Verbindung zwischen dem Kolben 7 und dem Gleitschuh 39 vorhanden ist. Aufgrund der Verbindung der Kolben 7 mit der rotierenden Zylindertrommel 5 und der Verbindung der Lagerpfannen 59 mit den Gleitschuhen 39 führen die Gleitschuhe 39 eine Rotationsbewegung um die Rotationsachse 8 mit aus und aufgrund der festen Verbindung bzw. Anordnung der Gleitschuhe 39 an der Rückhaltescheibe 37 führt auch die Rückhaltescheibe 37 eine Rotationsbewegung um die Rotationsachse 8 mit aus. Damit die Gleitschuhe 39 in ständigem Kontakt zu der Auflagefläche 18 der Schwenkwiege 14 stehen, wird die Rückhaltescheibe 37 von einer Druckfeder 41 unter einer Druckkraft auf die Auflagefläche 18 gedrückt.
Die Schwenkwiege 14 ist – wie bereits erwähnt – um die Schwenkachse 15 verschwenkbar gelagert und weist ferner eine Öffnung 42 (1) zur Durchführung der Antriebswelle 9 auf. Am Gehäuse 4 ist eine Wiegenlagerung 20 ausgebildet. Dabei sind an der Schwenkwiege 14 zwei Lagerabschnitte ausgebildet. Die beiden Lagerabschnitte der Schwenkwiege 14 liegen auf der Wiegenlagerung 20 auf. Die Schwenkwiege 14 ist damit mittels einer Gleitlagerung an der Wiegenlagerung 20 bzw. dem Gehäuse 4 um die Schwenkachse 15 verschwenkbar gelagert. In der Darstellung in 1 weist die Auflagefläche 18 gemäß der Schnittbildung in 1 einen Schwenkwinkel α von ungefähr +20° auf. Der Schwenkwinkel α ist zwischen einer fiktiven Ebene senkrecht zu der Rotationsachse 8 und einer von der ebenen Auflagefläche 18 der Schwenkwiege 14 aufgespannten Ebene vorhanden gemäß der Schnittbildung in 1. Die Schwenkwiege 14 kann dabei zwischen zwei Schwenkgrenzwinkel α zwischen +20° und –20° mittels zweier Schwenkeinrichtungen 24 verschwenkt werden.
Die erste und zweite Schwenkeinrichtung 25, 26 als Schwenkeinrichtungen 24 weist eine Verbindungsstelle 32 zwischen der Schwenkeinrichtung 24 und der Schwenkwiege 14 auf. Die beiden Schwenkeinrichtungen 24 weisen jeweils einen Verstellkolben 29 auf, welcher in einem Verstellzylinder 30 beweglich gelagert ist. Der Verstellkolben 29 bzw. eine Achse des Verstellzylinders 30 ist dabei im Wesentlichen parallel zu der Rotationsachse 8 der Zylindertrommel 5 ausgerichtet. An einem in 1 links dargestellten Endbereich des Verstellkolbens 29 weist dieser eine Lagerpfanne 31 auf, in welcher eine Lagerkugel 19 gelagert ist. Dabei ist die Lagerkugel 19 an einem Schwenkarm 16 (1 bis 2) der Schwenkwiege 14 vorhanden. Die erste und zweite Schwenkeinrichtung 25, 26 ist somit mit jeweils einer Lagerkugel 19 an jeweils einem Schwenkarm 16 mit der Schwenkwiege 14 verbunden. Durch Öffnen eines der beiden Ventile 27, 28 als erstes Ventil 27 an der ersten Schwenkeinrichtung 25 und dem zweiten Ventil 28 an der zweiten Schenkeinrichtung 26 gemäß der Darstellung in 1 kann die Schwenkwiege 14 um die Schwenkachse 15 verschwenkt werden, da dadurch auf den Verstellkolben 29 an dem geöffneten Ventil 27, 28 mit einer Hydraulikflüssigkeit unter Druck in dem Verstellzylinder 30 eine Kraft aufgebracht wird. Dabei führt nicht nur die Schwenkwiege 14, sondern auch die Rückhaltescheibe 37 aufgrund der Druckbeaufschlagung mit der Druckfeder 41 diese Schwenkbewegung der Schwenkwiege 14 mit aus.
Bei einem Betrieb der Schrägscheibenmaschine 1 als Axialkolbenpumpe 2 ist bei konstanter Drehzahl der Antriebswelle 9 der von der Schrägscheibenmaschine 1 geförderte Volumenstrom umso größer, je größer der Betrag des Schwenkwinkels α ist und umgekehrt. Hierzu liegt an dem in 1 rechts dargestellten Ende der Zylindertrommel 5 eine Ventilscheibe 11 auf, mit einer nierenförmigen Hochdrucköffnung 12 und einer nierenförmigen Niederdrucköffnung 13. Die Zylindertrommel 5 ist axial beweglich und um eine Kippachse 33 verkippbar bezüglich der Antriebswelle 9 und mit einer Zentralfeder 73 wird die Zylindertrommel 5 in axialer Richtung auf die Ventilscheibe 11 gedrückt. Die Kippachse 33 ist senkrecht zu der Rotationsachse 8 der Zylindertrommel 5 und/oder senkrecht zu einer Längsachse 61 der Antriebswelle 9. Die Zentralfeder 73 liegt auf einem Auflagering 34 auf, welcher an der Zylindertrommel 5 befestigt ist und auf einem weiteren Auflagering 35 auf, welcher an der Antriebswelle 9 befestigt ist. Die Kolbenbohrungen 6 der rotierenden Zylindertrommel 5 werden somit fluidleitend bei einer Anordnung an der Hochdrucköffnung 12 mit der Hochdrucköffnung 12 verbunden und bei einer Anordnung an der Niederdrucköffnung 13 mit der Niederdrucköffnung 13 fluidleitend verbunden. Bei einem Schwenkwinkel α von 0° und bei einem Betrieb der Schrägscheibenmaschine 1 beispielsweise als Axialkolbenpumpe 2 wird trotz einer Rotationsbewegung der Antriebswelle 9 und der Zylindertrommel 5 keine Hydraulikflüssigkeit von der Axialkolbenpumpe 2 gefördert, da die Kolben 7 keine Hubbewegungen in den Kolbenbohrungen 6 ausführen. Bei einem Betrieb der Schrägscheibenmaschine 1 sowohl als Axialkolbenpumpe 2 als auch als Axialkolbenmotor 3 weisen die temporär in fluidleitender Verbindung mit der Hochdrucköffnung 12 stehenden Kolbenbohrungen 6 einen größeren Druck an Hydraulikflüssigkeit auf als die Kolbenbohrungen 6, welche temporär in fluidleitender Verbindung mit der Niederdrucköffnung 13 stehen. Ein axiales Ende 66 der der Zylindertrommel 5 liegt auf der Ventilscheibe 11 auf. An einer ersten Seite 64 des Gehäuses 4 bzw. dem Flansch 21 des Gehäuses 4 ist eine Öffnung 63 mit der Lagerung 10 ausgebildet und eine zweite Seite 65 weist eine Aussparung zur Lagerung der Antriebswelle 9 mit einer weiteren Lagerung 10 auf.
Die Zylindertrommel 5 ist mittels der drehfesten Verbindung 43 lediglich drehfest mit der Antriebswelle 9 verbunden, sodass die Zylindertrommel 5 bezüglich der Antriebswelle 9 in Richtung einer Längsachse 61 der Antriebswelle 9 axial beweglich ist und zusätzlich auch bezüglich der Antriebswelle 9 verkippbar ist bezüglich der Kippachse 33. Die Zentralfeder 73 ist erforderlich, damit bei einer Inbetriebnahme der Schrägscheibenmaschine 1 die Zylindertrommel 5 an dem axialen Ende 66 mit einer ausreichenden Druckkraft auf die Ventilscheibe 11 gedrückt ist, um eine im Wesentlichen fluiddichte Verbindung zwischen den Hoch- und Niederdrucköffnungen 12, 13 an der Ventilscheibe 11 und den Kolbenbohrungen 6 an der Zylindertrommel 5 zu erreichen. Bei einem Schwenkwinkel α der Zylindertrommel 5 ungleich 0°, weisen die Kolben 7 in den Kolbenbohrungen 6 eine unterschiedliche axiale Position in den Kolbenbohrungen 6 auf. Aufgrund der Rotationsbewegung der Zylindertrommel 5 um die Rotationsachse 8 treten dadurch an der Zylindertrommel 5 unterschiedliche Zentripetalkräfte aufgrund der unterschiedlichen axialen Positionen der Kolben 7 auf. Dies führt zu einer Kippbewegung der Zylindertrommel 5 um die Kippachse 33. In 1 ist die Schrägscheibenmaschine 1 in einem Betriebszustand dargestellt mit einem Kippwinkel α der Zylindertrommel 5 um die Kippachse 33 von 0°. Dadurch ist die Rotationsachse 8 der Zylindertrommel 5, die Längsachse 61 der Antriebswelle 9 und eine Längsachse 62 der Zylindertrommel 5 identisch. Nach einer Kippbewegung der Zylindertrommel 5 um die Kippachse 33 weist die Zylindertrommel 5 einen Kippwinkel β auf. In 3 ist ein jeweils positiver und negativer Kippwinkel β vereinfacht dargestellt, das heißt, es tritt ein Winkel β zwischen der Längsachse 62 der Zylindertrommel 5 und der Längsachse 61 der Antriebswelle 9 auf.
Der Kippwinkel β der Zylindertrommel 5 wird dabei von einer Vorrichtung 23 zur Begrenzung der Kippbewegung der Zylindertrommel 5 auf einen Kippgrenzwinkel β von beispielsweise 1°, 2° oder 3° begrenzt. Die Darstellung in 3 für die Größe des Kippwinkels β entspricht somit diesbezüglich nicht der Realität. Die Vorrichtung 23 ist als eine Zylindertrommellagerung 67 ausgebildet, beispielsweise als eine Zylindertrommelgleitlagerung 68 oder als eine Zylindertrommelwälzlagerung 69 mit nicht dargestellten Wälzelementen. Die Zylindertrommellagerung 67 weist bei einem Kippwinkel β der Zylindertrommel 5 von 0° oder bei einem Kippwinkel β von kleiner als dem Kippgrenzwinkel β, bis zu dem die Zylindertrommel 5 maximal verkippt werden kann, keinen Kontakt zu einer radialen Außenseite 70 der Zylindertrommel 5 auf. Bei einem Kippwinkel β von 0°, das heißt bei einer Identität zwischen der Längsachse 61 der Antriebswelle 9 und der Längsachse 62 der Zylindertrommel 5 beträgt der Abstand zwischen der Zylindertrommellagerung 67 und der radialen Außenseite 70 der Zylindertrommel 5 zwischen 20 µm und 60 µm. Die Zylindertrommellagerung 67 wirkt somit nur, sofern der Kippwinkel β einen maximalen Kippwinkel β überschreitet bzw. bis zu dem Kippgrenzwinkel β, bis zu welchem ein Verkippen der Zylindertrommel 5 um die Kippachse 33 möglich ist.
Die Zylindertrommel 5 weist eine axiale Gesamtausdehnung 71 in Richtung der Längsachse 62 der Zylindertrommel 5 auf. Die Zylindertrommellagerung 67 weist einen axialen Abstand 72 zu dem axialen Ende 66 der Zylindertrommel 5 an der Ventilscheibe 11 auf und dieser entspricht ungefähr 30% der axialen Gesamtausdehnung 71 der Zylindertrommel 5, so dass der Abstand zwischen der Zylindertrommellagerung 67 und dem axialen Ende 66 der Zylindertrommel 5 beispielsweise zwischen 30 mm und 40 mm beträgt. Ein ausreichender Abstand der Zylindertrommellagerung 67 zu dem axialen Ende 66 der Zylindertrommel 5 ist erforderlich, damit von der Zylindertrommellagerung 67 ein ausreichendes Gegendrehmoment auf die radiale Außenseite 70 der Zylindertrommel 5 bezüglich der Kippachse 33 aufgebracht werden kann. Dadurch ist eine effektive und zuverlässige Begrenzung der Kippbewegung der Zylindertrommel 5 bezüglich der Kippachse 33 möglich.
In 4 ist ein erfindungsgemäßer Antriebsstrang 45 dargestellt. Der erfindungsgemäße Antriebsstrang 45 weist einen Verbrennungsmotor 46 auf, welcher mittels einer Welle 47 ein Planetengetriebe 48 antreibt. Mit dem Planetengetriebe 48 werden zwei Wellen 47 angetrieben, wobei eine erste Welle 47 mit einer Kupplung 49 mit einem Differentialgetriebe 56 verbunden ist. Eine zweite bzw. andere Welle, welche von dem Planetengetriebe 48 angetrieben ist, treibt durch eine Kupplung 49 eine erste Schrägscheibenmaschine 50 an und die erste Schrägscheibenmaschine 50 ist mittels zweier Hydraulikleitungen 52 mit einer zweiten Schrägscheibenmaschine 51 hydraulisch verbunden. Die erste und zweite Schrägscheibenmaschine 50, 51 bilden dadurch ein hydraulisches Getriebe 60 und von der zweiten Schrägscheibenmaschine 51 kann mittels einer Welle 47 auch das Differentialgetriebe 56 angetrieben werden. Das Differentialgetriebe 56 treibt mit den Radwellen 58 die Räder 57 an. Ferner weist der Antriebsstrang 45 zwei Druckspeicher 53 als Hochdruckspeicher 54 und als Niederdruckspeicher 55 auf. Die beiden Druckspeicher 53 sind dabei mittels nicht dargestellter Hydraulikleitungen auch mit den beiden Schrägscheibenmaschinen 50, 51 hydraulisch verbunden, sodass dadurch mechanische Energie des Verbrennungsmotors 46 in dem Hochdruckspeicher 54 hydraulisch gespeichert werden kann und ferner in einem Rekuperationsbetrieb eines Kraftfahrzeugs mit dem Antriebsstrang 45 ebenfalls kinetische Energie des Kraftfahrzeugs in dem Hochdruckspeicher 54 hydraulisch gespeichert werden kann. Mittels der in dem Hochdruckspeicher 54 gespeicherten hydraulischen Energie kann mit einer Schrägscheibenmaschine 50, 51 zusätzlich das Differentialgetriebe 56 angetrieben werden.
Insgesamt betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Schrägscheibenmaschine 1 wesentliche Vorteile verbunden. Die Schrägscheibenmaschine 1 ist mit der Zylindertrommellagerung 67 als der mechanischen Vorrichtung 23 zur Begrenzung der Kippbewegung der Zylindertrommel 5 versehen. Eine Kippbewegung der Zylindertrommel 5 um die Kippachse 33 ist dadurch bis zu einem Kippgrenzwinkel β begrenzt, sodass dadurch einerseits die hydraulischen Verluste zwischen der Zylindertrommel 5 an dem axialen Ende 66 und der Ventilscheibe 11 begrenzt sind und außerdem im Wesentlichen ein Taumeln der Zylindertrommel 5 aufgrund von großen Kippwinkeln β vermieden werden kann und dadurch auch hieraus resultierende Schäden an der Schrägscheibenmaschine 1. Darüber hinaus erhöht die Vorrichtung 23 die Drehzahlfähigkeit der Schrägscheibenmaschine 1, das heißt der maximal möglichen Drehzahl der Zylindertrommel 5 mit einem ordnungsgemäßen Betrieb auf ungefähr 6000 U/min. Die Zentralfeder 73 kann ferner auch mit einer geringeren Stärke ausgelegt werden, da zur Begrenzung der Kippbewegung bei höheren Drehzahlen der Schrägscheibenmaschine 1 die Vorrichtung 23 vorhanden ist. Dadurch treten aufgrund der von der Zentralfeder 73 auf die Zylindertrommel 5 aufgebrachten geringeren Druckkräfte auch geringe Reibkräfte zwischen der Zylindertrommel 5 und der Ventilscheibe 11 auf, sodass dadurch im Betrieb der Schrägscheibenmaschine 1 ein zusätzlicher höherer Wirkungsgrad erreicht werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1013928 A2 [0003]
CH 405934 [0004]
DE 2733870 C2 [0005]

Claims

Schrägscheibenmaschine (1) als Axialkolbenpumpe (2) und/oder Axialkolbenmotor (3), umfassend – eine um eine Rotationsachse (8) drehbar bzw. rotierend gelagerte Zylindertrommel (5) mit Kolbenbohrungen (6), – in den Kolbenbohrungen (6) in Richtung einer Längsachse der Kolbenbohrungen (6) beweglich gelagerte Kolben (7), – eine mit der Zylindertrommel (5) zumindest drehfest verbundene Antriebswelle (9), welche um die Rotationsachse (8) drehbar bzw. rotierend gelagert ist, – eine um eine Schwenkachse (15) verschwenkbar gelagerte Schwenkwiege (14) mit einer Auflagefläche (18) zur Lagerung der Kolben (7) auf der Auflagefläche (18), dadurch gekennzeichnet, dass die Schrägscheibenmaschine (1) eine Vorrichtung (23) zur Begrenzung einer Kippbewegung der Zylindertrommel (5) umfasst.
Schrägscheibenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (23) zur Begrenzung der Kippbewegung der Zylindertrommel eine Kippbewegung der Zylindertrommel (5) um eine Kippachse (33) senkrecht zu der Rotationsachse (8) der Zylindertrommel (5) begrenzt.
Schrägscheibenmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (23) zur Begrenzung der Kippbewegung der Zylindertrommel (5) die Kippbewegung der Zylindertrommel (5) nur ab einem Kippgrenzwinkel begrenzt.
Schrägscheibenmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (23) zur Begrenzung der Kippbewegung der Zylindertrommel (5) als eine, insbesondere ausschließlich, mechanische Vorrichtung (23) ausgebildet ist.
Schrägscheibenmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (23) zur Begrenzung der Kippbewegung der Zylindertrommel (5) als eine Zylindertrommellagerung (67) ausgebildet ist, vorzugsweise als Zylindertrommelgleitlagerung (68) oder als Zylindertrommelwälzlagerung (69).
Schrägscheibenmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylindertrommellagerung (67) mit einer radialen Außenseite (70) der Zylindertrommel (5) in Kontakt steht oder in Kontakt bringbar ist zur Begrenzung der Kippbewegung der Zylindertrommel (5).
Schrägscheibenmaschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylindertrommellagerung (67) mit einem axialen Abstand (72) zu einem axialen Ende (66) der Zylindertrommel (5) in Kontakt steht oder in Kontakt bringbar ist und das axiale Ende (66) der Zylindertrommel ein zu der Schwenkwiege (14) abgewandtes axiales Ende (66) ist und der axiale Abstand (72) wenigstens 10%, 20%, 30% oder 40% der axialen Gesamtausdehnung (71) der Zylindertrommel (5) beträgt.
Schrägscheibenmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylindertrommellagerung (67) tangential vollständig umlaufend in Kontakt steht oder in Kontakt bringbar ist mit der radialen Außenseite (70) der Zylindertrommel (5) oder die Zylindertrommellagerung (67) tangential umlaufend nur an wenigstens zwei oder drei Bereichen in Kontakt steht oder in Kontakt bringbar ist mit der radialen Außenseite (70) der Zylindertrommel (5)
Schrägscheibenmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylindertrommellagerung (67) bei einem Kippwinkel von 0° einen Abstand zu der radialen Außenseite (70) der Zylindertrommel (5) aufweist.
Schrägscheibenmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrägscheibenmaschine (1) ein Gehäuse (4) umfasst und die Vorrichtung (23), insbesondere die Zylindertrommellagerung (67), fest mit dem Gehäuse (4) verbunden, insbesondere die Zylindertrommelgleitlagerung (68) von dem Gehäuse (4) gebildet ist.
Schrägscheibenmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylindertrommelgleitlagerung (68) eine tribologische Beschichtung, z. B. aus Kohlenstoff, Messing, PTFE oder PEEK, aufweist.
Antriebsstrang (45) für ein Kraftfahrzeug, umfassend – wenigstens eine Schrägscheibenmaschine (1) zur Umwandlung von mechanischer Energie in hydraulische Energie und umgekehrt, – wenigstens einen Druckspeicher (53), dadurch gekennzeichnet, dass die Schrägscheibenmaschine (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.