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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schrägscheibenmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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Schrägscheibenmaschinen dienen als Axialkolbenpumpen zur Umwandlung von mechanischer Energie in hydraulische Energie und als Axialkolbenmotor zur Umwandlung von hydraulischer Energie in mechanische Energie. Bei konstanten, sowie verstellbaren Schrägscheibenmaschinen stützen sich mehrere in einer rotierenden Zylindertrommel geführte Kolben, auch bekannt als Arbeitskolben, über Gleitschuhe an einer Gleitfläche einer Schwenkwiege ab.
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Die Arbeitskolben sind rotationssymmetrisch ausgebildet und durch ein Kugelgelenk mit dem Gleitschuh verbunden. Dieses erlaubt im ausgeschwenkten Zustand, in dem der Gleitschuh gegenüber der Kolbenachse verkippt ist, eine Rotation des Kolbens um seine eigene Achse.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2011 113 533 A1 offenbart eine Axialkolbenmaschine deren Kolben in Zylinderbohrungen geführt sind und die sich über Gleitschuhe an einer Schrägscheibe abstützen, wobei die Kolben mit einem Kugelkopf in einer Kugelaufnahme des Gleitschuhs ein Gelenk bilden. Die Kolben können sich im Betrieb der Schrägscheibenmaschine gegenüber dem jeweiligen Gelenkschuh verdrehen. Dabei entscheiden die Reibverhältnisse zwischen Kolben und Gleitschuh zusammen mit den Reibverhältnissen zwischen Kolben und Zylinderbohrung ob sich der Kolben relativ zum Gleitschuh bewegt, oder ob sich der Kolben relativ zum Zylinder bewegt. Wenn die Reibung zwischen Kolben und Zylinderbohrung größer ist als die zwischen Kolben und Gleitschuh, entsteht eine Relativbewegung zwischen Kolben und Gleitschuh.
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Nachteilig an dieser Lösung ist, dass Betriebszustände möglich sind, in denen keine rotatorische Relativbewegung zwischen dem Kolben und der Zylinderbohrung stattfindet. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Schmierung zwischen Kolben und Zylinderbohrung nicht begünstigt wird, beispielsweise bei hohen Drehzahlen, bei denen hohe Fliehkräfte auf die Kolben wirken und dadurch die Kolben an die Zylinderwand gedrückt werden, wodurch eine erhöhte Reibung zwischen dem Kolben und der Zylinderbohrung entsteht. Ebenso kann bei geringen Schwenkwinkeln eine Minderschmierung zwischen Kolben und Zylinderbohrung auftreten, wenn z.B. keine Zufuhr von Schmiermittel über die axiale Bewegung der Kolben stattfindet. Des Weiteren kann z.B. bei relativ niedrigen Arbeitsdrücken der Axialkolbenmaschine Mangelschmierung auftreten. Aufgrund der Mangelschmierung kann Überhitzung auftreten, wodurch lokale Schäden am Kolben entstehen, die zu einem technischen Defekt der Axialkolbenmaschine, wie beispielsweise Kolbenfresser, führen können.
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Die Aufgabe der Erfindung ist, eine Schrägscheibenmaschine bereitzustellen, die eine Mangelschmierung zwischen Arbeitskolben und Zylinderbohrung vermeidet und eine sichere Funktion gewährleistet.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe wird hinsichtlich der Schrägscheibenmaschine durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Schrägscheibenmaschine weist eine Schrägscheibe und Arbeitskolben auf, wobei die Arbeitskolben in einer im Wesentlichen axialen Richtung in Kolbenbohrungen einer Zylindertrommel hin und her bewegbar geführt sind und sich die Arbeitskolben mit Gelenkköpfen über Gleitschuhe auf einer Gleitfläche der Schrägscheibe abstützen. Erfindungsgemäß ist jeweils zwischen einem Gelenkkopf und dem entsprechenden Gleitschuh ein Mittel zur Erhöhung der Reibung des Gelenkkopfes und des Gleitschuhs zueinander angeordnet so dass im Betrieb der Schrägscheibenmaschine der Reibwert zwischen Gelenkkopf und Gleitschuh höher ist als der Reibwert zwischen Arbeitskolben und Kolbenbohrung. Das Mittel zur Erhöhung der Reibung sorgt dafür, dass sich der Arbeitskolben während des Betriebs der Schrägscheibenmaschine innerhalb der Kolbenbohrung rotiert.
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Bei einer Schrägstellung der Schrägscheibenmaschine ist der Gleitschuh, bzw. die Rotationsachse des Gleitschuhs zum Arbeitskolben, bzw. zur Rotationsachse des Arbeitskolbens um einen Schwenkwinkel verschwenkt. Im Betrieb der Schrägscheibenmaschine, das heißt bei einer Rotation der Zylindertrommel, gleitet der Gleitschuh auf der Schrägscheibe. Im Betrieb der Schrägscheibenmaschine und bei verschwenkter Schwenkwiege findet keine Rotation des Gleitschuhs relativ zur Drehachse der Schrägscheibenmaschine statt. Das Mittel zur Erhöhung der Reibung des Gelenkkopfes und des Gleitschuhs zueinander sorgt dabei in vorteilhafter Weise dafür, dass der Arbeitskolben ebenfalls nicht relativ zur Drehachse der Schrägscheibenmaschine rotiert. Dadurch entsteht bei der Rotation der Zylindertrommel eine Zwangsrotationsbewegung zwischen Arbeitskolben und Kolbenbohrung, wodurch in vorteilhafter Weise zwischen Arbeitskolben und Kolbenbohrung ein hydrodynamischer Trageffekt, beispielsweise wie bei einem Gleitlager entsteht. Bezogen auf das Koordinatensystem der Zylindertrommel dreht sich der Arbeitskolben synchron zur Motordrehzahl (1x pro Umdrehung).
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Somit wird eine Mangelschmierung zwischen Arbeitskolben und Kolbenbohrungen vermieden und eine mögliche Fressneigung zwischen den Bauteilen wird reduziert.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Mittel als ein elastisches Element zwischen dem Gelenkkopf und dem Gleitschuh ausgebildet.
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Das elastische Element sorgt in vorteilhafter Weise dafür, dass die Schwenkbewegung zwischen Arbeitskolben und Gleitschuh möglich bleibt, so dass sich der Schwenkwinkel der Schrägscheibenmaschine weiterhin verstellen lässt. Gleichzeitig sorgt das elastische Element für eine Erhöhung der Reibung zwischen dem Gelenkkopf und dem Gleitschuh.
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Das elastische Element aus in vorteilhafter Weise aus einem O-Ring gebildet, wodurch eine kostengünstige Herstellung des elastischen Elements möglich ist.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist der O-Ring in einer Nut des Gelenkkopfes des Arbeitskolbens angeordnet. Durch die Nut wird in vorteilhafter Weise eine sichere Montage des O-Rings auf dem Gelenkkopf gewährleistet und ein Verrutschen des O-Rings auf dem Gelenkkopf verhindert.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Mittel eine Wirkfläche zwischen dem Gelenkkopf und dem Gleitschuh, wobei die Wirkfläche in vorteilhafter Weise an der der Zylindertrommel zugewandten Seite des Gelenkkopfs angeordnet ist. Die Wirkfläche ist somit in einem Bereich des Gelenkkopfes angeordnet, der sich nicht im axial hochbelasteten Bereich des Gelenkkopfes befindet. Dadurch wird die Reibung zwischen dem Gelenkkopf und dem Gleitschuh lokal erhöht, ohne dass die Funktion des Kugelgelenks eingeschränkt wird. Besonders vorteilhaft ist, dass die Wirkfläche aus zumindest einer Fläche gebildet ist, die eine lokale Erhöhung der Oberflächenrauhigkeit aufweist, wobei die lokale Erhöhung der Oberflächenrauhigkeit an dem Gelenkkopf ausgebildet ist.
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Die Erfindung ist bevorzugt bei Schrägscheibenmaschinen einzusetzen, bei den Mangelschmierungen zwischen Arbeitskolben und Kolbenbohrungen auftreten können. Dies ist insbesondere bei Schrägscheibenmaschinen der Fall, bei denen hohen Fliehkräfte durch hohe Drehzahlen entstehen oder die mit geringen Schwenkwinkeln oder mit relativ niedrigen Drücken betrieben werden.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren einen mobilen oder stationären Hydraulikantrieb mit einer vorab beschriebenen Schrägscheibenmaschine. Die Schrägscheibenmaschine in dem Hydraulikantrieb wird auch als Hydrostat bezeichnet. Der mobile Hydraulikantrieb ist vorzugsweise Teil eines Hydraulikhybridantriebsstrangs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs.
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Ferner ist auch die Anwendung als mobile oder stationäre hydraulische Arbeitsmaschine möglich.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus der Beschreibung und der nachfolgenden Zeichnung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1: einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Schrägscheibenmaschine;
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2: einen Ausschnitt einer ersten Ausführungsform eines Arbeitskolbens und eines Gleitschuhs der erfindungsgemäßen Schrägscheibenmaschine;
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3: einen Ausschnitt einer zweiten Ausführungsform eines Arbeitskolbens und eines Gleitschuhs der erfindungsgemäßen Schrägscheibenmaschine;
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Ausführungsformen der Erfindung
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Der in 1 dargestellte Längsschnitt zeigt eine erfindungsgemäße Schrägscheibenmaschine 1, die als verstellbare Axialkolbenpumpe zur Umsetzung bzw. Umwandlung von mechanischer Energie (Drehmoment, Drehzahl) in hydraulische Energie (Volumenstrom, Druck) oder als verstellbarer Axialkolbenmotor zur Umsetzung bzw. Umwandlung hydraulischer Energie (Volumenstrom, Druck) in mechanische Energie (Drehmoment, Drehzahl) dienen kann. Die Schrägscheibenmaschine 1 fördert dabei ein Arbeitsmedium, bei dem es sich vorzugsweise um Öl, zum Beispiel Hydrauliköl handelt. Das Arbeitsmedium schmiert gleichzeitig die Komponenten der Schrägscheibenmaschine 1. Eine Antriebswelle 9 ist mittels einer Lagerung 10 an einem Gehäuseteil 21 und mit einer weiteren Lagerung 10 an einer Anschlußplatte 4 der Schrägscheibenmaschine 1 um eine Rotationsachse 8 drehbar bzw. rotierend gelagert. Die Anschlußplatte 4 und das Gehäuseteil 21 bilden das Gehäuse der Schrägscheibenmaschine 1, wobei der Hohlraum des Gehäuses einen Niederdruckbereich 60 der Schrägscheibenmaschine 1 bildet. Die Lagerung 10 in dem Gehäuseteil 21 ist in der hier dargestellten Ausführungsform von der Innenseite des Gehäuseteils 21 montierbar. Mit der Antriebswelle 9 ist eine Zylindertrommel 5 drehfest verbunden. Die Zylindertrommel 5 kann dabei in axialer Richtung verschiebbar oder fest verbunden sein. Die Antriebswelle 9 und die Zylindertrommel 5 sind zweiteilig ausgebildet, können aber auch als ein Bauteil ausgebildet sein. Die Zylindertrommel 5 führt die Rotationsbewegung der Antriebswelle 9 aufgrund ihrer drehfesten Verbindung mit aus. In die Zylindertrommel 5 sind eine Vielzahl von Kolbenbohrungen 6 eingearbeitet, in denen Kolben 7 geführt werden, bzw. in denen jeweils ein Kolben 7 beweglich gelagert ist. Die Kolben 7 werden auch Arbeitskolben 7 genannt. Die Längsachsen 35 der Kolbenbohrungen 6 und Arbeitskolben 7 sind dabei im Wesentlichen parallel zu der Rotationsachse 8 der Antriebswelle 9 bzw. der Zylindertrommel 5 ausgerichtet. Je nach Anwendungsfall kann es auch sinnvoll sein, dass die Längsachsen 35 der Kolbenbohrungen 6 und die darin geführten Arbeitskolben 7 nicht achsparallel zueinander angeordnet sind. Die jeweilige Längsachse 35 der Kolbenbohrung 6 entspricht der jeweiligen Rotationsachse 35 des Arbeitskolbens 7.
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Eine Schwenkwiege 14 ist um eine Schwenkachse 15 schwenkbar über eine Wiegenlagerung 11 an dem Gehäuseteil 21 gelagert. Zudem weist die Schwenkwiege 14 eine Öffnung 42 zur Durchführung der Antriebswelle 9 auf. Durch die Schwenkwiege 14 kann der von der Schrägscheibenmaschine 1 geförderte Volumenstrom stufenlos über zumindest eine Schwenkeinrichtung 24 verstellt werden. Die Verstellung erfolgt über Stellkolben 30, wobei die Schwenkeinrichtung 24 sowohl durch zwei Stellkolben 30 als auch durch einen Stellkolben 30 und einen Gegenkolben 29 dargestellt werden kann. Die Verstellung durch die Stellkolben 30 kann beispielsweise hydraulisch erfolgen. Elektrisch oder mechanisch angetriebene Schwenkeinrichtungen 24 sind auch denkbar. Bei einer Vergrößerung des Schwenkwinkels α der Schwenkwiege 14 steigt das Verdrängungsvolumen der Schrägscheibenmaschine 1, bei einer Verkleinerung verringert sich dieses entsprechend.
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Durch die Schrägstellung der Schwenkwiege 14 bewegt sich jeder Arbeitskolben 7 während einer Umdrehung über einen unteren und einen oberen Totpunkt zurück in seine Ausgangslage. Dabei wird durch Steuergeometrien in einer Steuerplatte oder Verteilerplatte 3 das dem Hubvolumen entsprechende Arbeitsmedium zu- und abgeführt. Die Verteilerplatte 3 ist zwischen der Anschlußplatte 4 und der Zylindertrommel 5 angeordnet.
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Auf einer Saugseite strömt Arbeitsmedium in einen sich vergrößernden Arbeitsraum 49 des Arbeitskolbens 7. Gleichzeitig wird auf einer Hochdruckseite das Arbeitsmedium durch die Arbeitskolben 7 aus dem Arbeitsraum 49 in ein angeschlossenes, nicht dargestelltes Hydrauliksystem gedrückt.
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Die Schwenkwiege 14, auch bekannt als Schrägscheibe, weist eine ebene bzw. plane Fläche auf, die als Gleitfläche 18 ausgebildet ist. Auf der Gleitfläche 18 sind Gleitschuhe 37 angeordnet, wobei jeder Gleitschuh 37 mit jeweils einem Arbeitskolben 7 verbunden ist. Die Gleitschuhe 37 werden durch eine Rückzugplatte 12 an der Gleitfläche 18 der Schwenkwiege 14 gehalten und geführt. Jeder Arbeitskolben 7 weist einen Kopf 39 auf, welcher in einer Aufnahme 59 an dem Arbeitskolben 7 befestigt ist, so dass eine Kolbenverbindungsstelle 22 zwischen dem Kopf 39 und der Aufnahme 59 an dem Gleitschuh 37 ausgebildet ist und sich der Arbeitskolben 7 über die Gleitfläche 18, bzw. über den Gleitschuh 37 an der Schwenkwiege 14 abstützt. Der Kopf 39 ist als eine teilweise sphärisch ausgebildete Gelenkkugel dargestellt und die Aufnahme 59 als Lagerpfanne, wobei beide komplementär bzw. sphärisch ausgebildet sind, so dass dadurch bei einer entsprechenden Bewegungsmöglichkeit zueinander zwischen dem Kopf 39 und der Aufnahme 59 an den Arbeitskolben 7 möglichst eine ständige Verbindung zwischen dem Arbeitskolben 7 und der Gleitfläche 18 vorhanden ist. Aufgrund der Verbindung der Arbeitskolben 7 mit der rotierenden Zylindertrommel 5 und der Verbindung der Aufnahmen 59, bzw. der Lagerpfannen mit den Gleitschuhen 37 führen die Gleitschuhe 37 eine Rotationsbewegung um die Rotationsachse 8 der Schrägscheibenmaschine 1 aus. Ferner weisen die Gleitschuhe 37 eine Rotationsachse 36 auf.
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2 zeigt einen Arbeitskolben 7 mit einem Gleitschuh 37 der erfindungsgemäßen Schrägscheibenmaschine 1. Der Kopf 39 des Arbeitskolbens 7 ist an der dem Arbeitsraum 49 gegenüberliegenden Seite des Arbeitskolbens 7 angeordnet (siehe 1), wobei der Kopf 39 des Arbeitskolbens 7 in der Aufnahme 59 des Gleitschuhs 37 angeordnet ist. Der Kopf 39 ist als Gelenkkugel ausgebildet und wird auch als Gelenkkopf 39 bezeichnet. Die Aufnahme 59 des Gleitschuhs 37 ist als Kugelaufnahme ausgebildet. Der Gelenkkopf 39 des Arbeitskolbens 7 und die Aufnahme 59 des Gleitschuhs 37 bilden ein Gelenk. Zwischen dem Arbeitskolben 7 und dem Gleitschuh 37 ist ein Mittel 50 zur Erhöhung der Reibung des Gelenkkopfes 39 und des Gleitschuhs 37 zueinander angeordnet ist so dass im Betrieb der Schrägscheibenmaschine 1 der Reibwert zwischen Gelenkkopf 39 und Gleitschuh 37 höher ist als der Reibwert zwischen Arbeitskolben 7 und Kolbenbohrung 6.
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Das Mittel 50 ist als ein elastisches Element 51 zwischen dem Gelenkkopf 39 und dem Gleitschuh 37 ausgebildet ist, wobei das elastische Element 51 in der dargestellten Ausführungsform aus einem O-Ring gebildet ist. Der O-Ring ist in einer Nut 80 des Gelenkkopfes 39 des Arbeitskolbens 7 angeordnet.
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Die Drehung des Arbeitskolbens 7 in der Kolbenbohrung 6 während des Betriebs der Schrägscheibenmaschine 1 ist abhängig von den Reibungsverhältnissen zwischen:
- 1. der Reibung zwischen Arbeitskolben 7 und Kolbenbohrung 6,
- 2. der Reibung zwischen Gelenkkopf 39 und Gleitschuh 37 und
- 3. der Reibung zwischen Gleitschuh 37 und Gleitfläche 18.
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Das Mittel 50 zur Erhöhung der Reibung des Gelenkkopfes 39 und des Gleitschuhs 37 zueinander sorgt dafür, dass im Betrieb die Drehung der Rotationsachse 35 des Arbeitskolbens 7 gleich der Drehung der Rotationsachse 36 des Gleitschuhs 37 ist. Ist die Reibung zwischen Arbeitskolben 7 und Kolbenbohrung 6 größer als die Reibung zwischen Gleitschuh 37 und Gleitfläche 18, findet keine Drehung des Arbeitskolbens 7 in der Kolbenbohrung 6 statt. Dieser Fall tritt auf, wenn beispielsweise der Schwenkwinkel α bei 0° eingestellt ist, bzw. sich die Schrägscheibenmaschine 1 in ihrer Neutralstellung befindet.
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Sobald die Schwenkwiege 14 verstellt wird und der Schwenkwinkel α größer 0° ist, ist die Reibung zwischen Gleitschuh 37 und Gleitfläche 18 größer als die Reibung zwischen Arbeitskolben 7 und Kolbenbohrung 6, so dass zwischen dem Arbeitskolben 7 und der Kolbenbohrung 6 eine Zwangsrotationsbewegung entsteht.
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3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, wobei das Mittel 50 eine Wirkfläche 52 zwischen dem Gelenkkopf 39 und dem Gleitschuh 37 ist. Die Wirkfläche 52 ist bevorzugt an der der Zylindertrommel 5 zugewandten Seite des Gelenkkopfes 39 angeordnet. Während des Betriebs der Schrägscheibenmaschine 1 findet die höchste axiale Belastung zwischen dem Gelenkkopf 39 und dem Gleitschuh 37 an der der Zylindertrommel abgewandten Seite des Gelenkkopfes 39 statt. Um die Funktion des Kugelgelenks nicht einzuschränken, ist die Wirkfläche 50 somit in dem Bereich des Gelenkkopfes 39 angeordnet, der sich nicht im axial hochbelasteten Bereich des Gelenkkopfes 39 befindet. Die Wirkfläche 52 ist aus zumindest einer Fläche gebildet ist, die eine lokale Erhöhung der Oberflächenrauhigkeit aufweist, wobei in der hier dargestellten Ausführungsform die lokale Erhöhung der Oberflächenrauhigkeit an dem Gelenkkopf 39 ausgebildet ist. Je nach Herstellungsverfahren des Arbeitskolbens, kann die lokale Erhöhung der Oberflächenrauhigkeit beispielsweise durch eine nachträgliche Bearbeitung des Gelenkkopfes 39 erzeugt werden oder es wird nur der Bereich des Gelenkkopfes 39 bearbeitet, der keine lokale Erhöhung der Oberflächenrauhigkeit aufweisen soll.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011113533 A1 [0004]
