DE102014206122A1

DE102014206122A1 - Hydrostatische Axialkolbenmaschine

Info

Publication number: DE102014206122A1
Application number: DE102014206122.9A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Appel; Stephan Berneke
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-04-01
Filing date: 2014-04-01
Publication date: 2015-10-01

Abstract

Offenbart ist eine hydrostatische Axialkolbenmaschine mit einem Gehäuse und einer darin drehbar gelagerten Triebwelle, mit mehreren drehfest mit der Triebwelle verbundenen hydrostatischen Arbeitsräumen. Diese sind mit drehender Triebwelle abwechselnd mit einem Hochdruckraum und einem Niederdruckraum der Axialkolbenmaschine fluidisch verbindbar, wodurch entlang zumindest einem Kraftwirkungspfad, der von den Arbeitsräumen hin zum Gehäuse gerichtet ist, eine schwellende Betriebskraft wirksam ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine hydrostatische Axialkolbenmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine gattungsgemäße hydrostatische Axialkolbenmaschine hat eine Mehrzahl hydrostatischer, drehfest mit einer Triebwelle verbundene Arbeitsräume, die jeweils von einem axial verschieblichen Arbeitskolben begrenzt sind. Eine Anzahl der Arbeitskolben ist bevorzugt ungerade, beispielsweise sieben oder neun. Die Arbeitskolben sind an einer Schrägscheibe abgestützt und alternierend mit einem Hochdruck und mit einem Niederdruck der hydrostatischen Axialkolbenmaschine in Druckmittelverbindung bringbar. Dabei sind beispielsweise eine erste Reihe mit vier Arbeitsräumen mit dem Niederdruck und eine zweite Reihe mit vier Arbeitsräumen mit dem Hochdruck in Druckmittelverbindung. Die Druckmittelverbindung eines zwischen den beiden Reihen angeordneten neunten Arbeitsraumes wechselt aufgrund der drehenden Triebwelle und in Abhängigkeit der Betriebsart und Drehrichtung der Axialkolbenmaschine vom Niederdruck zum Hochdruck, oder umgekehrt. Mit jedem dieser Druckwechsel geht ein Belastungs- beziehungsweise Entlastungsschlag auf die im Kraftflusspfad der Kolbenkräfte angeordneten Komponenten bis hin zum Gehäuse einher.
Die periodisch wiederkehrenden Anregungsimpulse führen zu einer teils erheblichen Geräuschentwicklung, die unerwünscht ist. Die Geräuschentwicklung basiert dabei auf einer Luftschallemission der in Schwingung versetzten Komponenten der hydrostatischen Axialkolbenmaschine, insbesondere des Gehäuses, und kann zudem zu einer Anregung von an die hydrostatische Axialkolbenmaschine angebundenen Strukturen, wie beispielsweise Hydraulikleitungen oder Rohren, führen. Letztgenannter Mechanismus wird als Körperschallanregung bezeichnet.
Zur Dämpfung oder Unterbindung dieser Schallemissionen sind aus dem Stand der Technik passive Dämpfungsmittel bekannt, die im Kraftflusspfad angeordnet sind. Diese sind beispielsweise ein oder mehrere zusätzliche Bauteile, wie beispielsweise ein Lagerbock zur Aufnahme einer Schwenkwiege im Falle einer in Schrägscheibenbauweise ausgeführten hydrostatischen Axialkolbenmaschine mit verstellbaren Verdrängungsvolumen. Die Druckschrift DE 10 2007 010 002 A1 zeigt hierzu eine Lösung mit einem Drahtgestrick zur Körperschallentkopplung und Schwingungsdämpfung.
Nachteilig an derartigen, passiven Lösungen ist, dass diese eine Weiterleitung der Anregungskräfte und die daraus folgende Luftschallemission nur unzureichend und nicht zielgerichtet genug reduzieren können. Insbesondere beim Einsatz der hydrostatischen Axialkolbenmaschine mit angrenzenden Strukturen kann es so immer noch zur ungewünschten Luftschallabstrahlung aufgrund der inneren Anregungskräfte kommen, aus denen sich je nach Einsatzzweck unerwünschte Luftschalldruckpegel ergeben.
Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Axialkolbenmaschine mit verringerter Geräuschentwicklung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Axialkolbenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Axialkolbenmaschine sind in den Patentansprüchen 2 bis 9 beschrieben.
Eine hydrostatische Axialkolbenmaschine, insbesondere eine Axialkolbenpumpe oder ein Axialkolbenmotor, hat ein Gehäuse und eine darin drehbar gelagerte Triebwelle, mit der eine Zylindertrommel drehfest verbunden ist. Diese weist mehrere entlang einem Teilkreis angeordnete, im Wesentlichen axiale Zylinderbohrungen mit darin verschiebbar aufgenommenen und an einer Schrägscheibe abgestützten Arbeitskolben auf. Über die Zylinderbohrungen und Arbeitskolben sind in der Zylindertrommel zumindest abschnittsweise hydrostatische Arbeitsräume begrenzt, die mit drehender Triebwelle abwechselnd mit einem Hochdruckraum und einem Niederdruckraum der Axialkolbenmaschine fluidisch verbindbar, insbesondere verbunden sind. Daraus folgt, dass im Betrieb entlang zumindest einem von den Arbeitsräumen hin zum Gehäuse gerichteten Kraftwirkungspfad eine dynamische, schwellende Betriebskraft wirksam ist, die wie bereits erwähnt zu einer erheblichen Geräuschentwicklung führen kann. Um diese zu minimieren oder kompensieren ist die Axialkolbenmaschine erfindungsgemäß derart ausgestaltet, dass am Kraftwirkungspfad ein hydrostatisches Druckfeld mit einer schwellenden und zur Betriebskraft phasenverschobenen Druckkraft ausbildbar, insbesondere ausgebildet ist.
Am Kraftwirkungspfad überlagern oder addieren sich die beiden dynamischen Kräfte zu einer resultierenden Betriebskraft, die aufgrund der erfindungsgemäßen Phasenverschiebung eine geringere Amplitude als die ursprüngliche Betriebskraft aufweist. In Folge werden verglichen mit dem herkömmlichen Fall die am Kraftwirkungspfad angeordneten Komponenten der Axialkolbenmaschine, insbesondere das Gehäuse, weit weniger angeregt, so dass eine Geräuschentwicklung der Axialkolbenmaschine verringert ist. Sind an die Axialkolbenmaschine weitere Strukturen oder Aggregate angebunden, so ist erfindungsgemäß eine Körperschall- und Geräuschemission signifikant reduzierbar, da auch die angebundenen Strukturen oder Aggregate eine geringere Anregung durch die Axialkolbenmaschine erfahren.
Das Druckfeld weist vorzugsweise eine schwellende Druckmittelversorgung (Impulsversorgung und -entlastung) auf.
Über ein Einstellen der Phasenverschiebung kann die Geräuschreduzierung auf ein gewünschtes / angefordertes Maß eingestellt und / oder an eine Bauweise der Axialkolbenmaschine spezifisch angepasst werden.
Die Axialkolbenmaschine ist vorzugsweise derart ausgestaltet ist, dass Perioden der Druckkraft und der Betriebskraft gleich sind oder dass eine Periode der Druckkraft ein ganzzahliges Vielfaches einer Periode der Betriebskraft ist oder umgekehrt. So ist eine Glättung der Betriebskraft durch die phasenverschobene Druckkraft, und damit die Geräuschreduzierung, am effektivsten.
Besonders bevorzugt weist die Axialkolbenmaschine eine ungerade Anzahl von Arbeitsräumen, beispielsweise sieben oder neun, auf.
Vorzugsweise ist eine Projektion des hydrostatischen Druckfeldes, insbesondere von dessen resultierendem Kraftangriffspunkt, in eine Ebene senkrecht zur Drehachse der Triebwelle um etwa 90° verdreht gegen einen in diese Ebene projizierten Totpunkt einer Hubbewegung der Arbeitskolben angeordnet.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist die Schrägscheibe um eine Schwenkachse verschwenkbar, so dass ein Verdrängungsvolumen der Axialkolbenmaschine verstellbar ist. Dann fallen die Projektion des Druckfeldes oder des Kraftangriffspunktes vorzugsweise mit der Projektion der Schwenkachse zusammen oder sind zumindest nahe beieinander angeordnet.
Unter einem Kraftwirkungspfad ist im Sinne dieser Druckschrift ein Ausbreitungsweg der geräuscherzeugenden Betriebskraft, die auch als Triebwerkskraft bezeichnet werden kann, zu verstehen. Der Kraftwirkungspfad geht dabei immer vom Arbeitsraum aus und kann beispielsweise in eine Richtung über den Arbeitskolben, dessen Gleitschuh und die Schrägscheibe und in die andere Richtung über die Zylindertrommel hin zum Gehäuse gerichtet sein. Bei einer Bauform der Axialkolbenmaschine mit verstellbarer oder verschwenkbarer Schrägscheibe ist der erstgenannte Kraftwirkungspfad nach dem Gleitschuh über eine Schwenkwiege, ein Schwenklager und gegebenenfalls ein Lagerbock hin zum Gehäuse gerichtet. Meist ist zwischen der Zylindertrommel und dem Gehäuse eine Steuerplatte angeordnet, so dass der zweite genannte Kraftwirkungspfad über diese hin zum Gehäuse gerichtet ist.
Vorzugsweise ist das hydrostatische Druckfeld zwischen zwei der genannten, nebeneinander angeordneten Bauteile angeordnet. Natürlich kann abgesehen von den genannten Bauteilen noch ein weiteres Bauteil eingefügt sein, über das das hydrostatische Druckfeld dann begrenzt ist.
Die Axialkolbenmaschine kann mehrere Kraftwirkungspfade aufweisen. In diesem Fall ist in einer bevorzugten Weiterbildung auch an diesen jeweils ein oder ein gemeinsames hydrostatisches Druckfeld mit einer schwellenden und zur Betriebskraft phasenverschobenen Druckkraft ausbildbar, insbesondere ausgebildet. Die Kraftwirkungspfade können sich in beiden bereits angegebenen oder in anderen Richtungen hin zum Gehäuse erstrecken.
Bevorzugt weist ein Anschwellen des Drucks des hydrostatischen Druckfeldes, und damit der Druckkraft, eine bestimmte Phasenlage zu einem Abschwellen des Betriebsdrucks in einem der Arbeitsräume auf, und umgekehrt. Dadurch ist ein dynamischer Verlauf der Druckkraft erzeugbar, der infolge der definierten Phasenlagen die Betriebskraft ergänzt, und zur teilweisen oder kompletten Kompensation der Dynamik der Betriebskraft führt.
Die Phasenlagen sind vorzugsweise derart bemessen, dass ein zeitlicher Verlauf der Betriebskraft (Dynamik) im Wesentlichen oder ganz geglättet ist.
Um die abwechselnde Druckmittelverbindung der Arbeitsräume mit dem Hochdruckraum und dem Niederdruckraum zu realisieren, weist die Axialkolbenmaschine in einer bevorzugten Weiterbildung eine von einem Hochdruckkanal und einem Niederdruckkanal durchsetzte, gehäusefeste Steuerscheibe auf. Diese ist zwischen einer Gehäuseinnenfläche, die Mündungen des Hochdruckraumes und des Niederdruckraumes aufweist, und einer Stirnfläche der Zylindertrommel, die Arbeitsmündungen der Arbeitsräume aufweist, angeordnet. Der Hochdruckkanal ist mit dem Hochdruckraum und der Niederdruckkanal mit dem Niederdruckraum fluidisch verbunden, wobei bei drehender Triebwelle der Hochdruckkanal und der Niederdruckkanal von den Arbeitsmündungen zumindest abschnittsweise überstreichbar sind.
In einer bevorzugten Weiterbildung hat die Steuerscheibe an einer ersten Seite, die in Anlage mit der Gehäuseinnenfläche ist, eine Vertiefungsausnehmung, insbesondere eine Drucktasche, in der das hydrostatische Druckfeld ausbildbar ist.
Die Vertiefungsausnehmung kann beispielsweise flächig oder als in sich geschlossene, beispielsweise ringförmige Nut ausgebildet sein.
In einer zweiten Seite der Steuerscheibe, die mit der Stirnfläche in Anlage ist, hat die Vertiefungsausnehmung vorzugsweise eine zum Hochdruckkanal radial beabstandete, insbesondere radial außen angeordnete Hochdrucköffnung, die mit den Arbeitsräumen fluidisch verbindbar ist.
Über eine definierte Position der Hochdrucköffnung kann die weiter oben beschriebene Phasenverschiebung, insbesondere die Phasenlage des Anschwellens der Druckkraft zum Abschwellen der Betriebskraft gesteuert werden. Vorzugsweise ist die Hochdrucköffnung derart angeordnet, dass ein Beginn des Anschwellens der Druckkraft eine definierte Phasenlage zum Beginn des Abschwellens des Betriebsdruckes in einem der in Drehrichtung der Zylindertrommel voreilenden der Arbeitsräume hat. Die Phasenlage liegt vorzugsweise im Bereich zwischen –180° und +180°. Eine Anordnung der Hochdrucköffnung ist bevorzugt, die zu einer Phasenlage von 0° führt.
Die Hochdrucköffnung ist vorzugsweise innerhalb eines vom Hochdruckkanal überdeckten, um eine Drehachse der Triebwelle drehenden Umfangswinkels angeordnet.
In einer bevorzugten Weiterbildung weisen die Arbeitsräume in der Stirnfläche jeweils eine zu ihrer Arbeitsmündung radial beabstandete Nebenmündung oder jeweils eine radiale Ausbuchtung ihrer Arbeitsmündung auf, von der bei drehender Triebwelle die Hochdrucköffnung zumindest abschnittsweise überstreichbar ist.
In einer alternativen bevorzugten Weiterbildung hat die Vertiefungsausnehmung in der zweiten Seite, insbesondere in einem vom Niederdruckkanal überdeckten Umfangswinkel, eine zum Niederdruckkanal radial beabstandete Niederdrucköffnung. Diese ist bei drehender Triebwelle von der oder den Nebenmündungen und / oder von der oder den radialen Ausbuchtungen, im Wechsel mit der Hochdrucköffnung, zumindest abschnittsweise überstreichbar. In dieser Ausführungsform ist das Anschwellen über die Hochdrucköffnung und das Abschwellen über die Niederdrucköffnung steuerbar, wobei eine Entlastung des hydrostatischen Druckfeldes hin zum Niederdruckkanal erfolgt. Über die Position der Niederdrucköffnung ist dann die Phasenlage des Abschwellens der Druckkraft zum Anschwellen der Betriebskraft steuerbar.
Die Niederdrucköffnung ist vorzugsweise derart angeordnet, dass ein Beginn des Abschwellens der Druckkraft im hydrostatischen Druckfeld eine definierte Phasenlage zu einem Beginn des Anschwellens in einem der in Drehrichtung der Zylindertrommel nachfolgenden der Arbeitsräume hat. Diese Phasenlage liegt vorzugsweise im Bereich zwischen –180° und +180°, wobei der Vorzug auf einer gleichphasigen Anordnung liegt (0°).
Besonders bevorzugt weisen beide Öffnungen unterschiedliche Querschnitte auf. Dadurch ist das Anschwellen auf das Abschwellen noch besser abstimmbar, oder umgekehrt.
Die Hochdrucköffnung und / oder die Niederdrucköffnung ist vorzugsweise jeweils als eine Bohrung mit vorzugsweise konstantem Querschnitt ausgestaltet.
Ein Öffnungsverlauf der Hochdrucköffnung und / oder die Niederdrucköffnung weist vorzugsweise ein drosselndes Vorsteuerelement, beispielsweise eine Kerbe oder eine Nut oder mehrere dieser Elemente oder eine Kombination davon auf, wodurch das An- und / oder das Abschwellen des Druckes des hydrostatischen Druckfeldes, und dadurch die Druckkraft, präzise steuerbar ist.
In einer bevorzugten Weiterbildung weist die Vertiefungsausnehmung weitere Hochdruck- und / oder Niederdrucköffnungen auf, die so angeordnet sind, dass das Anschwellen und Abschwellen synchron oder getaktet ist.
Um die Druckkraft räumlich und / oder zeitlich noch zielgerichteter aufzuprägen, sind in einer bevorzugten Weiterbildung mehrere hydrostatische Druckfelder vorgesehen, die jeweils eine eigene oder eine gemeinsame Hochdruck- und / oder Niederdrucköffnung aufweisen. Im ersten Fall ist das Anschwellen und Abschwellen des Druckes der einzelnen Druckfelder besonders präzise und individuell steuerbar.
In einer vorrichtungstechnisch besonders einfachen und bevorzugten Weiterbildung erfolgt die Entlastung des hydrostatischen Druckfeldes hin zum Gehäuseinnenraum.
Letztgenannte Weiterbildung ist vorzugsweise dadurch realisiert, dass in der Stirnfläche außenumfänglich angeordnete Drucktaschen ausgebildet sind, deren Anzahl gleich der Anzahl der Arbeitsräume und Arbeitsmündungen ist und die in Druckmittelverbindung mit einem Gehäuseinnenraum der Axialkolbenmaschine stehen, wobei die Hochdrucköffnung zumindest abschnittsweise von den Drucktaschen überstreichbar ist. In dieser Ausführungsform ist das An- und / oder das Abschwellen des Druckes des hydrostatischen Druckfeldes und dadurch die Druckkraft über dieselbe Hochdrucköffnung steuerbar.
Eine weitere Möglichkeit, die Kompensation zu beeinflussen bietet sich mit einer Weiterbildung, bei der ein Verhältnis der Druckfläche eines Arbeitskolben zur Fläche des Druckfeldes oder der Flächensumme mehrerer vorhandener Druckfelder zielgerichtet definiert ist. Vorzugsweise ist das Verhältnis zielgerichtet auf ein gewünschtes Betriebsverhalten oder eine gewünschte Geräuschemission der Axialkolbenmaschine hin optimiert. Die Fläche des Kompensationsdruckfeldes beziehungsweise die Gesamtfläche mehrerer vorhandener Kompensationsdruckfelder ist vorzugsweise etwa genauso groß wie die Druckfläche eines Arbeitskolbens und damit das oben genannte Verhältnis etwa 1 oder gleich 1, wodurch der dynamische Anteil der Triebwerkskraft kompensiert wird.
In einer bevorzugten Weiterbildung hat die Axialkolbenmaschine einen Druckraum oder eine Kapazität, der oder die ein Druckmittelvolumen aufweist, das etwa einem Totvolumen eines der Arbeitsräume entspricht. Dadurch kann eine zeitliche Streckung des Anschwellens und / oder des Abschwellens realisiert werden.
Die Hochdrucköffnung beziehungsweise Niederdrucköffnung ist bezüglich eines zeitlich variierenden Verlaufs des Anschwellens des Druckes im hydrostatischen Druckfeld unter Berücksichtigung des unterschiedlichen zu komprimierenden Volumens (in dem zusätzlichen hydrostatischen Druckfeld und dem Verdrängerraum) vorzugsweise analog zum zeitlichen Verlauf des Abschwellens des Betriebsdruckes in einem der in Drehrichtung voreilenden beziehungsweise nachfolgenden der Arbeitsräume (Umsteuerung) ausgestaltet.
Die Hochdrucköffnung beziehungsweise Niederdrucköffnung ist bezüglich des zeitlich variierenden Verlaufes eines durchflossenen Öffnungsquerschnittes beim Anschwellen beziehungsweise Abschwellen des Druckes im hydrostatischen Druckfeld vorzugsweise analog zum zeitlichen Verlauf des Durchflussquerschnittes beim Abschwellen beziehungsweise Anschwellen in einem der in Drehrichtung voreilenden beziehungsweise nachfolgenden der Arbeitsräume (Umsteuerung) ausgestaltet.
Die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine ist besonders bevorzugt in akustisch sensiblen Anwendungen einzusetzen. Diese sind beispielsweise Mobilanwendungen „Onroad“ (Automotive) oder „Offroad“, wie Radlader oder Bagger. Als Stationäranwendungen sind beispielsweise zu nennen ein Einsatz in einer Spritzgießmaschine, einer Presse oder in der Haustechnik (Aufzug).
Im Folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine in sechs Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine für beide Ausführungsbeispiele gültige Darstellung einer Axialkolbenmaschine mit verschwenkbarer Schrägscheibe in einem Längsschnitt,
2 ein Diagramm einer Betriebskraft und einer dazu phasenverschobenen Druckkraft eines ersten Ausführungsbeispiels der Axialkolbenmaschine gemäß 1,
3 ein Diagramm einer Betriebskraft und einer dazu phasenverschobenen Druckkraft eines zweiten Ausführungsbeispiels der Axialkolbenmaschine gemäß 1,
4 Geometrien einer Zylindertrommel und einer Steuerscheibe des ersten Ausführungsbeispiels gemäß den 1 und 2,
5 die Zylindertrommel und die Steuerscheibe des ersten Ausführungsbeispiels gemäß 4 in einer geschnittenen Detailansicht, und
6 Geometrien einer Zylindertrommel und einer Steuerscheibe des zweiten Ausführungsbeispiels gemäß den 1 und 3.
Vorab sei darauf hingewiesen, dass die Darstellung eines Längsschnittes, wie er gemäß 1 durch eine Drehachse 14 und normal zu einer Schwenkachse (nicht dargestellt) geführt ist, für beide Ausführungsbeispiele einer Axialkolbenmaschine 1; 101 gültig ist. Bauteile mit über die Ausführungsbeispiele gleichbleibender Bauform und/oder Funktion sind der Einfachheit halber mit nur einem Bezugszeichen versehen.
Gemäß 1 hat eine Axialkolbenmaschine 1; 101 ein Gehäuse 2 mit einem topfförmigen Gehäuseteil 4 und mit einer Anschlussplatte 6, von der das Gehäuseteil 4 verschlossen ist. Die Axialkolbenmaschine 1; 101 ist in Schrägscheibenbauweise mit verstellbarem Verdrängungsvolumen ausgestaltet.
Das Gehäuseteil 4 umgibt einen Gehäuseinnenraum 8, in dem ein Triebwerk der Axialkolbenmaschine 1; 101 aufgenommen ist. Dieses hat eine Zylindertrommel 10; 110, die drehfest mit einer Triebwelle 12 verbunden ist. Die Triebwelle 12 ist über ein Wälzlager 16 in einem Gehäuseboden 18 des Gehäuseteils 4 und über ein Wälzlager 20 im Gehäusedeckel 6 um die Drehachse 14 drehbar gelagert.
In der Zylindertrommel 10; 110 sind entlang einem etwa konzentrisch zur Drehachse 14 ausgebildeten Teilkreis mehrere, in diesem Ausführungsbeispiel sind es neun, Zylinderbohrungen 22 ausgeführt, in denen jeweils ein Arbeitskolben 24 axial beweglich aufgenommen ist. Vom Arbeitskolben 24 und der Zylinderbohrung 22 ist jeweils ein Arbeitsraum 26 begrenzt, der über eine ihm zugeordnete Arbeitsmündung 28; 128 und eine von einem Hochdruckkanal 30 und einem Niederdruckkanal 32 durchsetzten Steuerscheibe 34; 134 beim Drehen der Triebwelle 14 abwechselnd (alternierend) mit einem Hochdruckraum 36 und einem Niederdruckraum 38 der Axialkolbenmaschine 1; 101 fluidisch verbunden wird. Die Steuerscheibe 34; 134 hat eine erste Seite 40; 140, die mit einer Gehäuseinnenfläche 42 des Gehäusedeckels 6 in Anlage ist. Mit ihrer zweiten Seite 44; 144 ist sie in Anlage mit einer Stirnfläche 46; 146 der Zylindertrommel 10; 110.
Kolbenköpfe 48 der Arbeitskolben 24 sind jeweils in einem Gleitschuh 50 aufgenommen, der an einer als Schwenkwiege ausgebildeten Schrägscheibe 52, genauer gesagt an deren Gleitfläche 54, abgestützt ist. Innenseitig am Gehäuseboden 18 sind beiderseits der Triebwelle 12 Lagerschalen 56 angeordnet, an denen die Schwenkwiege 52 verschwenkbar gelagert ist. Eine Schwenkbewegung erfolgt dabei um die Schwenkachse (nicht dargestellt), die die Drehachse 14 orthogonal schneidet. Bezogen auf 1 liegt die Schwenkachse in der Zeichnungsebene.
4 zeigt die geometrischen Verhältnisse der Stirnfläche 46 der Zylindertrommel 10 und der damit in Anlage befindlichen zweiten Seite 44 der Steuerscheibe 34 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Axialkolbenmaschine 1. Gestrichelt sind dabei Geometrien der Zylindertrommel 10 und mit Volllinie Geometrien der Steuerscheibe 34 dargestellt. In 4 sind der Niederdruckkanal 32 und der Hochdruckkanal 30 in einer Draufsicht von der Zylindertrommel 10 hin zur Steuerscheibe 34 zu sehen. Der Hochdruckkanal 30 ist dabei in fünf kleinere Drucknieren 58, die durch Stege getrennt sind, unterteilt. Der Niederdruckkanal 32 ist als eine durchgängige, nierenförmige Durchgangsausnehmung ausgestaltet. Die bevorzugte Drehrichtung der Zylindertrommel 10 ist gemäß 4 der Uhrzeigersinn. Jeder der Kanäle 30, 32 weist an seinem in Drehrichtung gesehen ersten Endabschnitt eine nutförmige, spitz zulaufende Umsteuereinrichtung 60 auf, über die ein Druckwechsel vom Niederdruck zum Hochdruck in einem der Arbeitsräume und umgekehrt gedrosselt erfolgt.
Die gehäusefeste Steuerscheibe 34 weist gemäß 4 eine kleine Verdrillung (Rotation) um die Drehachse 14 auf, die über die Winkel α und β bemessen ist. Da in dem Ausführungsbeispiel die beiden Winkel α, β gleich sind, ist weist die Axialkolbenmaschine 1 eine symmetrische Umsteuerung auf.
Mit Drehungen der Zylindertrommel 10; 110 erfährt immer genau einer der neun Arbeitsräume 26 eine Umsteuerung vom Hochdruck zum Niederdruck und dazu zeitversetzt ein anderer der neun Arbeitsräume 26 eine Umsteuerung vom Niederdruck zum Hochdruck. Bei einer Maschine gemäß 1 mit neun Arbeitsräumen sind zu jedem Zeitpunkt vier der Arbeitsräume 26 mit dem Hochdruckkanal 30 und andere vier der Arbeitsräume mit dem Niederdruckkanal 32 verbunden. Es ergibt sich eine Betriebskraft FB der Arbeitskolben 26 wie sie gemäß 2 dargestellt ist. Sie hat einen Grundwert FB4 und einen Maximalwert FB5. Zwischen diesen Werten schwankt sie dynamisch, wobei die Differenz dem Beitrag des einen Arbeitsraumes 26 zur Betriebskraft FB entspricht, der jeweils dem Druckwechsel unterliegt. Zur Kompensation dieses dynamischen Anteils weist einerseits die Zylindertrommel 10; 110 und andererseits die Steuerplatte 34; 134 erfindungsgemäße Einrichtungen auf.
Gemäß 4 ist in der dem Betrachter zugewandten zweiten Seite 44 der Steuerscheibe 34 eine Hochdrucköffnung 62 einer in die erste Seite 40 gemäß 1 eingebrachten Vertiefungsausnehmung 64 gemäß 5 angeordnet. In der Vertiefungsausnehmung 64 ist so gemäß 3 ein hydrostatisches Druckfeld mit einer zur Betriebskraft FB der Arbeitskolben 24 phasenverschobenen, dynamischen Druckkraft FD ausbildbar. Eine Druckmittelversorgung der Hochdrucköffnung 62 speist sich aus einem der Hochdruck aufweisenden Arbeitsräume 26, wenn dieser die Hochdrucköffnung 62 überstreicht. Damit dies gelingt, weist jede der gestrichelt dargestellten Arbeitsmündungen 28 der Zylindertrommel 10 eine sich radial nach außen, bis etwa zum Teilkreis der Öffnung 62 erstreckende Ausbuchtung 66 auf. Überstreicht diese die Hochdrucköffnung 62, so gerät letztgenannte über die Ausbuchtung 66, die Arbeitsmündung 28 und den Hochdruckkanal 30 in Druckmittelverbindung mit dem Hochdruckraum 36. Demgemäß schwillt der Druck in der Vertiefungsausnehmung 64 an und eine Druckkraft FD des hydrostatischen Druckfeldes schwillt von einem Wert FDmin auf FDmax an.
Um nun ein Abschwellen der Druckkraft FD gemäß 2 zu ermöglichen, weist gemäß 4 die Stirnfläche 46 der Zylindertrommel 10 umfänglich verteilt angeordnete Drucktaschen 68 auf, die jeweils radial weiter außen zwischen zwei Arbeitsmündungen 28 angeordnet sind. Die Drucktaschen 68 erstrecken sich einerseits bis zur Hochdrucköffnung 62 und andererseits öffnen sie sich in den Gehäuseinnenraum 8. Sie weisen somit stets den dort anstehenden Niederdruck auf. Überstreicht die Drucktasche 68 die Hochdrucköffnung 62, so gerät die Vertiefungsausnehmung 64 über die Hochdrucköffnung 62 und die Drucktasche 68 in Druckmittelverbindung mit dem Gehäuseinnenraum 8 und wird druckentlastet. Demgemäß schwillt die Druckkraft FD von ihrem Wert FDmax auf ihren Wert FDmin ab.
5 zeigt die vorbeschriebenen geometrischen Verhältnisse des ersten Ausführungsbeispiels in einem Schnitt A-A, wie er gemäß 4 definiert ist. Dargestellt ist ein Moment, in dem sich eine der Drucktaschen 68 gerade abschnittsweise über die Hochdrucköffnung 62 geschoben hat. Der Druck in der Vertiefungsausnehmung 64 beginnt somit abzuschwellen, was gemäß 2 einem Absinken oder Abschwellen der Druckkraft FD gleich kommt. Beide Einrichtungen, die Ausbuchtung 66 und die Drucktasche 68, weisen eine im Wesentlichen finnenartige Form auf, die sich hin zum Teilkreis der Hochdrucköffnung 62 verjüngt. Dabei ist die Drucktasche 68 verglichen mit der Ausbuchtung 66 größer ausgestaltet.
Für das gezeigte Ausführungsbeispiel ergeben sich zur Erlangung der gewünschten phasenverschobenen Kräfte FD und FB gemäß 2 folgende Winkelzusammenhänge:
φ_{9 Kolben} = 180° + β – α – 160° und θ_{9 Kolben} = 180° + β – α – 200°. Weist die Steuerscheibe 34 in einem Sonderfall keine Verdrillung auf (α = β = 0°), so gilt: φ_{9 Kolben} = θ_{9 Kolben} = 20°, was dann einer halben Kolbenteilung entspricht. Diese Winkelzusammenhänge sind am Beispiel einer 9-Kolben-Maschine gerechnet.
6 zeigt die geometrischen Verhältnisse im Bereich einer Stirnfläche 146 einer Zylindertrommel 110 und einer zweiten Fläche 144 einer Steuerscheibe 134 eines zweiten Ausführungsbeispiels der Axialkolbenmaschine 101 gemäß 1. Die folgende Beschreibung beschränkt sich lediglich auf die Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel.
Anders als beim ersten Ausführungsbeispiel erfolgt die Entlastung des hydrostatischen Druckfeldes beim zweiten Ausführungsbeispiel über eine eigens dafür vorgesehene Niederdrucköffnung 170. Diese ist gemeinsam auf einem Teilkreis mit einer Hochdrucköffnung 162 angeordnet. Erstgenannte ist dabei radial außerhalb des nierenförmigen Niederdruckkanals 132, letztgenannte radial außerhalb des nierenförmigen Hochdruckkanals 130 angeordnet. Beide Öffnungen 162, 170 münden in die Vertiefungsausnehmung, wie sie bereits für das erste Ausführungsbeispiel in 5 gezeigt worden ist. Jeder der Arbeitsräume 26 hat in der Stirnfläche 146 der Zylindertrommel 110 neben seiner nierenförmigen Arbeitsmündung 128 eine kleinere, ebenfalls nierenförmige Nebenmündung 172. Wird die Niederdrucköffnung 170 von einer der Nebenmündungen 172 überstrichen, gerät das hydrostatische Druckfeld über die Nebenmündung 172, die Arbeitsmündung 128 und den Niederdruckkanal 132 in Druckmittelverbindung mit dem Niederdruckraum 38 und wird entlastet. Die Entlastung erfolgt also anders als beim ersten Ausführungsbeispiel nicht zum Gehäuseinnenraum 8. Entsprechend erfolgt die Belastung beim Überstreichen der Hochdrucköffnung 162 von einer der Nebenmündungen 172. So stellt sich bei drehender Triebwelle 14 ein anschwellender und abschwellender Verlauf des Druckes pD des hydrostatischen Druckfelds gemäß 3, und damit der Druckkraft FD ein. Die Hochdrucköffnung 162 und Niederdrucköffnung 170 sind zusammen mit den Nebenöffnungen 172 derart geometrisch aufeinander abgestimmt, dass die Phasenverschiebung des Druckes pB zum Druck pD des jeweils umsteuernden Arbeitskolbens 24 wie in 3 ausgebildet ist, wodurch die erfindungsgemäße Kompensierung des dynamischen Kraftanteils der Betriebskraft FB erreicht wird.
Die Hochdrucköffnung 162 ist verglichen mit derjenigen des ersten Ausführungsbeispiels näher an einem der Totpunkte angeordnet, die sich zwischen den beiden Kanälen 130, 132 befinden. Die Steuerscheibe 134 ist in diesem Beispiel für eine Drehrichtung der Zylindertrommel entgegen dem Uhrzeigersinn optimiert, wobei sich gemäß der Draufsicht nach 6 die Umsteuernuten 60 hier jeweils vom einen Ende des Hochdruckkanals 130 und Niederdruckkanals 132 ausgehend im Uhrzeigersinn erstrecken.
Der Begriff des Kraftwirkungspfades ist im Rahmen dieser Druckschrift so zu verstehen, dass entlang diesem die Betriebskraft oder ein Anteil der Betriebskraft wirksam ist oder übertragen wird. Ein möglicher Kraftwirkungspfad 70 ist beispielhaft in 1 ausgehend vom Arbeitsraum 26, über den Randbereich der Arbeitsmündung 28; 128, die Steuerscheibe 34; 134 in den Gehäusedeckel 6 – Pfad 70b – und ins Gehäuseteil 4 – Pfad 70a – als gestrichelter Pfad dargestellt.
Alternativ oder ergänzend zu den gezeigten Ausführungsbeispielen kann ein oder können mehrere erfindungsgemäße hydrostatische Druckfelder an anderen als dem gezeigten Kraftwirkungspfad angeordnet sein, beispielsweise zwischen dem Gehäusedeckel 6 und dem Gehäuseteil 4. Auch ist denkbar, dass eine weitere Schnittstelle im Gehäuseteil 4 oder dem Gehäuseteil 6 eingefügt ist, an der das hydrostatische Druckfeld angeordnet ist. Eine Lage des hydrostatischen Druckfeldes kann beispielsweise in Abhängigkeit der Lastschläge der Betriebskraft FB per Versuch ermittelt werden.
Die Axialkolbenmaschine 1; 101 hat ein nicht näher dargestelltes Verstellsystem zur Verschwenkung der Schrägscheibe 52 mit einem Stellkolben und einem Gegenkolben in einer Anordnung gemäß einer sogenannten Längsverstellung, bei der Stellkolben und Gegenkolben sich im Wesentlichen in Längsrichtung der Axialkolbenmaschine erstrecken. Natürlich ist die erfindungsgemäße Ausbildung auch bei einer Querverstellung, bei der sich Stellkolben und Gegenkolben im Wesentlichen quer zur Längsrichtung der Axialkolbenmaschine erstrecken, oder bei Längsverstellungen und Querverstellungen mit einem doppeltwirkenden Stellkolben oder mit nur einem einfach wirkenden Stellkolben und Rückstellung durch eine Feder oder durch die Triebwerkskräfte denkbar.
Offenbart ist eine hydrostatische Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise mit einer Schrägscheibe, die gehäusefest oder verschwenkbar ausgestaltet sein kann. Die Axialkolbenmaschine hat mehrere hydrostatischen Arbeitsräume, die drehfest mit einer drehbar in einem Gehäuse der Axialkolbenmaschine gelagerten Triebwelle verbunden sind, und die abwechselnd mit einem Hochdruckraum und einem Niederdruckraum der Axialkolbenmaschine, insbesondere mit deren Hochdruckanschluss und Niederdruckanschluss, fluidisch verbindbar sind. Zur Kompensation einer aus der wechselnden Druckmittelverbindung resultierenden schwellenden Betriebskraft, deren Kraftwirkungspfad von den Arbeitsräumen hin zum Gehäuse gerichtet ist, weist die Axialkolbenmaschine ein am Kraftwirkungspfad ausbildbares, insbesondere ausgebildetes hydrostatisches Druckfeld mit schwellender Druckkraft auf. Die Druckkraft ist dabei gegen die Betriebskraft phasenverschoben.
Bezugszeichenliste

1; 101: Axialkolbenmaschine
2: Gehäuse
4: Gehäuseteil
6: Anschlussplatte
8: Gehäuseinnenraum
10; 110: Zylindertrommel
12: Triebwelle
14: Drehachse
16: Wälzlager
18: Gehäuseboden
20: Wälzlager
22: Zylinderbohrung
24: Arbeitskolben
26: Arbeitsraum
28; 128: Arbeitsmündung
30; 130: Hochdruckkanal
32; 132: Niederdruckkanal
34; 134: Steuerscheibe
36: Hochdruckraum
38: Niederdruckraum
40; 140: Erste Seite
42: Gehäuseinnenfläche
44; 144: Zweite Seite
46; 146: Stirnfläche
48: Kolbenkopf
50: Gleitschuh
54: Gleitfläche
52: Schrägscheibe
56: Lagerschale
58: Hochdruckniere
60: Umsteuernut
62; 162: Hochdrucköffnung
64: Vertiefungsausnehmung
66: Ausbuchtung
68: Drucktasche
70, 70a, 70b: Kraftwirkungspfad
170: Niederdrucköffnung
172: Nebenmündung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007010002 A1 [0004]

Claims

Hydrostatische Axialkolbenmaschine mit einem Gehäuse (2) und einer darin drehbar gelagerten Triebwelle (14), mit der eine Zylindertrommel (10; 110) drehfest verbunden ist, die mehrere entlang eines Teilkreises angeordnete, sich im Wesentlichen axial erstreckende Zylinderbohrungen (22) mit darin verschiebbar aufgenommenen und an einer Schrägscheibe (52) abgestützten Arbeitskolben (24) aufweist, wobei über die Zylinderbohrungen (22) und Arbeitskolben (24) hydrostatische Arbeitsräume (26) begrenzt sind, die mit drehender Triebwelle (12) abwechselnd mit einem Hochdruckraum (36) und einem Niederdruckraum (38) der Axialkolbenmaschine (1; 101) fluidisch verbindbar sind, wodurch entlang einem von den Arbeitsräumen (26) hin zum Gehäuse (2) gerichteten Kraftwirkungspfad (70) eine schwellende Betriebskraft (FB) wirksam ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Kraftwirkungspfad (70) ein hydrostatisches Druckfeld mit einer schwellenden, zur Betriebskraft (FB) phasenverschobenen Druckkraft (FD) ausbildbar ist.
Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1, wobei der Kraftwirkungspfad (70) über die Arbeitskolben (24) und die Schrägscheibe (52) oder über die Zylindertrommel (10; 110) hin zum Gehäuse (2) gerichtet ist.
Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2 mit einer von einem Hochdruckkanal (30; 130) und einem Niederdruckkanal (32; 132) durchsetzten, gehäusefesten Steuerscheibe (34; 134), die zwischen einer Gehäuseinnenfläche (42), die Mündungen des Hochdruckraumes (36) und des Niederdruckraumes (38) aufweist, und einer Stirnfläche (46; 146) der Zylindertrommel (10; 110), die Arbeitsmündungen (28; 128) der Arbeitsräume (26) aufweist, angeordnet ist, wobei der Hochdruckkanal (30; 130) mit dem Hochdruckraum (36) und der Niederdruckkanal (32; 132) mit dem Niederdruckraum (38) fluidisch verbunden ist, und wobei bei drehender Triebwelle (14) der Hochdruckkanal (30; 130) und der Niederdruckkanal (32; 132) von den Arbeitsmündungen (28; 128) zumindest abschnittsweise überstreichbar sind.
Axialkolbenmaschine nach Anspruch 3, wobei die Steuerscheibe (34; 134) an einer ersten Seite (40; 140), die in Anlage mit der Gehäuseinnenfläche (42) ist, eine Vertiefungsausnehmung (64) hat, in der das hydrostatische Druckfeld ausbildbar ist.
Axialkolbenmaschine nach Anspruch 4, wobei die Vertiefungsausnehmung (64) in einer zweiten Seite (44; 144) der Steuerscheibe (34; 134), die mit der Stirnfläche (46; 146) in Anlage ist, eine zum Hochdruckkanal (30; 130) radial beabstandete Hochdrucköffnung (62; 162) aufweist, die mit den Arbeitsräumen (26) fluidisch verbindbar ist.
Axialkolbenmaschine nach Anspruch 5, wobei die Arbeitsräume (26) in der Stirnfläche (46; 146) jeweils eine zu ihrer Arbeitsmündung (128) radial beabstandete Nebenmündung (172) oder jeweils eine radiale Ausbuchtung (66) ihrer Arbeitsmündung (28) aufweisen, von der bei drehender Triebwelle (14) die Hochdrucköffnung (62; 162) zumindest abschnittsweise überstreichbar ist.
Axialkolbenmaschine nach Anspruch 6, wobei die Vertiefungsausnehmung in der zweiten Seite (144) eine zum Niederdruckkanal (132) radial beabstandete Niederdrucköffnung (170) aufweist, die bei drehender Triebwelle (14) von der oder den Nebenmündungen (172) und / oder von der oder den radialen Ausbuchtungen, im Wechsel mit der Hochdrucköffnung (162), zumindest abschnittsweise überstreichbar ist.
Axialkolbenmaschine nach Anspruch 5 oder 6, wobei in der Stirnfläche (46) Drucktaschen (68) ausgebildet sind, die in Druckmittelverbindung mit einem Gehäuseinnenraum (8) der Axialkolbenmaschine (1) sind, und von denen die Hochdrucköffnung (62) zumindest abschnittsweise überstreichbar ist.
Axialkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verhältnis der Kolbenfläche eines Arbeitskolbens (24) zu einer Fläche des Druckfeldes in Abhängigkeit eines geforderten Betriebsverhaltens der Axialkolbenmaschine (1; 101) definiert ist.