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Die Erfindung betrifft eine hydrostatische Radialkolbenmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Radialkolbeneinheit mit derartigen Radialkolbenmaschinen.
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Eine gattungsgemäße hydrostatische Radialkolbenmaschine wird beispielsweise auf dem Gebiet der erneuerbaren Energie oder in industriellen Applikationen, wie beispielsweise zum Antrieb von Winden eingesetzt. Sie weist als Grundaufbau einen gehäusefesten Distributor mit mehreren Paaren von Druckanschlüssen auf, die beispielsweise über einen Hochdruck- und einen Niederdruckanschluss der Radialkolbenmaschine mit Druckmittel versorgbar sind. Über jedes Paar können Arbeitskolben, die in radialen Zylinderbohrungen eines rotierenden Zylinderblocks beweglich aufgenommen sind, mit Druckmittel versorgt werden. Die Kolben sind dabei radial außen an einer gehäusefesten Steuer- oder Hubkurve, genauer gesagt Hubfläche, abgestützt. Diese weist periodisch wiederkehrende Aufstiegs- und Abstiegsflanken auf, an denen ein Endabschnitt des Kolbens abgleiten oder aufgleiten kann. Eine Aufstiegs- und Abstiegsflanke bildet somit einen Nocken aus. Demgemäß ergibt sich bei wechselnder Beanspruchung des Kolbens mit Hoch- und Niederdruck im Motorbetrieb eine Bewegung des Zylinderblocks, die in mechanische Leistung gewandelt werden kann. Anders herum kann die Radialkolbenmaschine bei mechanischem Antrieb des Zylinderblocks als Radialkolbenpumpe betrieben werden.
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Bei Anwendungen, bei denen das Drehmoment oder die Geschwindigkeit der Radialkolbenmaschine variiert werden muss, ist diese mit verstellbarem Verdrängungsvolumen ausgestaltet. Die Verstellung ist vorzugsweise über ein Drucklosschalten eines oder mehrerer Paare von Druckanschlüssen realisiert. Der Arbeitskolben, der ein solches Paar überstreicht, erfährt dann dabei keinen Druckwechsel mehr, wodurch er auch nicht am Leistungswandlungsprozess teilnimmt. Das Verdrängungsvolumen ist somit um das Hubvolumen des betreffenden Arbeitskolbens reduziert.
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Ein Wirkungsgrad der Radialkolbenmaschine ist als Verhältnis der Ausgangsleistung zur Eingangsleistung definiert. Nachteilig an den bekannten Lösungen ist, dass eine innere Leckage, die aus der in der Radialkolbenmaschine umgewälzten Druckmittemenge ergibt, im Wesentlichen konstant ist, selbst wenn das Verdrängungsvolumen wie vorbeschrieben reduziert wird. Damit verbunden ist, dass auch der Wirkungsgrad mit abnehmendem Verdrängungsvolumen abnimmt.
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Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, eine Radialkolbenmaschine mit verstellbarem Verdrängungsvolumen zu schaffen, die verglichen mit einer herkömmlichen Radialkolbenmaschine zumindest bei verringertem Verdrängungsvolumen einen besseren Wirkungsgrad aufweist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine hydrostatische Radialkolbenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Radialkolbeneinheit mit zumindest zwei derartigen Radialkolbenmaschinen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Radialkolbenmaschine und der Radialkolbeneinheit sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
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Eine hydrostatische Radialkolbenmaschine hat einen rotierenden Zylinderblock, in dem radialsternförmig Zylinder, beispielsweise über Zylinderbohrungen, eingebracht sind. Anwendung findet sie insbesondere auf dem Gebiet der erneuerbaren Energie oder in industriellen Applikationen, wie beispielsweise zum Antrieb einer Winde. In jedem Zylinder ist jeweils ein Kolben oder Arbeitskolben linear geführt, über den ein radial innen im Zylinderblock angeordneter hydrostatischer Arbeitsraum von einem radial außen angeordneten Innenraum eines ruhenden Gehäuses der Radialkolbenmaschine im Wesentlichen druckmitteldicht getrennt ist. Innenseitig am Gehäuse sind dabei mehrere [n] Nocken mit jeweils einer in Rotationsrichtung ansteigenden und einer in Rotationsrichtung abfallenden Flanke angeordnet. An den Nocken, genauer gesagt an den Flanken, sind die Kolben radial außen abstützbar, wodurch während einer Umdrehung des Zylinderblocks mehrere [n] Hübe der Kolben bewirkt oder ermöglicht sind. Jeder der Flanken ist dabei ein gehäusefester Flankenanschluss zugeordnet, mit dem der Arbeitsraum bei einer Bewegung des Kolbens entlang der Flanke verbunden ist. Erfindungsgemäß ist dabei eine Druckdifferenz zwischen dem Innenraum und zumindest einem der Arbeitsräume derart einstellbar, dass der den zumindest einen Arbeitsraum begrenzende Kolben vom Nocken abgehoben ist. Zu beachten ist, dass der jeweilige Arbeitsraum nicht dem Kolben fest zugeordnet ist – wie beispielsweise bei einer Axialkolbenmaschine der Fall ist, bei der die Arbeitsräume mit den Kolben in Rotationsrichtung mit drehen – sondern dass er einem der gehäusefesten Nocken und dessen gehäusefesten Flankenanschlüssen zugeordnet ist. Somit ist jeder Arbeitsraum als im Wesentlichen ortsfest definiert.
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Das Abheben des Kolbens vom Nocken reduziert zum Einen wie gewünscht das Verdrängungsvolumen der Radialkolbenmaschine und zum Anderen wird ein Umwälzen von Druckmittel zumindest zwischen dem Arbeitsraum und den ihn versorgenden Flankenanschlüssen weitgehend verhindert. Auf diese Weise ist die innere Leckage reduziert, da nur noch die zur Leistungswandlung beitragenden Kolben die innere Leckage aufweisen, was zu einem verglichen mit dem Stand der Technik höheren Wirkungsgrad bei verringertem Verdrängungsvolumen führt. Die Wirkungsgrade verringerter Verdrängungsvolumina entsprechen dabei jeweils etwa demjenigen bei maximalem Verdrängungsvolumen. Dadurch sind zumindest die Betriebskosten geringer. Zudem können für eine geforderte Leistung kleinere Radialkolbenmaschinen eingesetzt werden, was die Investitionskosten senkt.
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Als Wirkungsgrad ist hierbei das Verhältnis der Ausgangsleistung zur Eingangsleistung der Radialkolbenmaschine definiert.
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Die Radialkolbenmaschine ist vorzugsweise als Motor oder Pumpe ausgeführt und ist vorzugsweise in beiden Betriebsarten oder einer von beiden (Motor / Pumpe) betreibbar.
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Um eine Umwälzung von Druckmittel möglichst gering zu halten, sind in einer bevorzugten Weiterbildung die dem zumindest einen Arbeitsraum zugeordneten Flankenanschlüsse miteinander in Druckmittelverbindung bringbar. Auf diese Weise weisen sie ein im Wesentlichen gleiches Druckniveau auf und die Druckdifferenz ist auf einfache Weise einstellbar.
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In einer bevorzugten Weiterbildung ist zur Einstellung der Druckdifferenz ein Druck im zumindest einen Arbeitsraum absenkbar. Da sich am Kolben ein Druckgleichgewicht zwischen dem Druck im Arbeitsraum und dem Druck im Innenraum einstellt, reicht dann ein vergleichsweise geringer Druck im Innenraum aus, um den Kolben vom Nocken abzuheben.
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Zu diesem Zweck sind in einer bevorzugten Weiterbildung die dem zumindest einen Arbeitsraum zugeordneten Flankenanschlüsse mit einem Niederdruckraum, beispielsweise einer Druckmittelsenke, verbindbar. Diese Weiterbildung erweist sich als funktional besonders robust, da die Flankenanschlüsse ohnehin zur Steuerung der Druckmittelversorgung der Arbeitsräume vorgesehen sind. Der Niederdruckraum, insbesondere die Druckmittelsenke, weist vorzugsweise einen geringeren Druck auf, als der Innenraum.
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Vorzugsweise weist die Radialkolbenmaschine zu diesem Zweck eine Ventileinrichtung auf, über die die dem zumindest einen Arbeitsraum zugeordneten Flankenanschlüsse mit dem Niederdruckraum verbindbar sind.
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In einer bevorzugten Weiterbildung ist das Verdrängungsvolumen weiter reduzierbar, wenn über die Ventileinrichtung die Flankenanschlüsse aller Arbeitsräume oder die Flankenanschlüsse von zumindest fast allen Arbeitsräumen [n – 1] oder zumindest eine Vielzahl der Flankenanschlüsse mit dem Niederdruckraum verbindbar sind. Im erstgenannten Fall ist das Verdrängungsvolumina auf so viele [n] Werte verstellbar wie die Radialkolbenmaschine Nocken aufweist.
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Alternativ oder ergänzend ist die Radialkolbenmaschine derart ausgestaltet, dass zur Einstellung der Druckdifferenz ein Druck im Innenraum erhöhbar ist.
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In einer bevorzugten Weiterbildung weist die Radialkolbenmaschine zu diesem Zweck eine Druckreduziereinrichtung auf, deren Druckmitteleingang mit einer Druckmittelquelle oder einem Hochdruckanschluss der Radialkolbenmaschine und deren Druckmittelausgang mit dem Innenraum verbindbar ist.
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Ein weit größerer Bereich des Verdrängungsvolumens kann abgedeckt werden, wenn zumindest zwei derartige hydrostatische Radialkolbenmaschinen zu einer hydrostatischen Radialkolbeneinheit zusammengefasst sind. Die Radialkolbenmaschinen sind dabei zumindest gemäß einem der Aspekte der vorhergehenden Beschreibung ausgebildet. Ihre Zylinderblöcke sind zu diesem Zweck drehfest miteinander verbunden.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Radialkolbeneinheit weisen deren Radialkolbenmaschinen gleiche Verdrängungsvolumina auf. So hat die Radialkolbeneinheit einen vorrichtungstechnisch einfachen, modulartigen Aufbau, der auf baugleiche Radialkolbenmaschinen oder zumindest Komponenten davon zurückgreifen kann. Alternativ kann die Radialkolbeneinheit Radialkolbenmaschinen mit unterschiedlichen Verdrängungsvolumina aufweisen. Diese Alternative erweist sich als besonders variabel in der Verstellung des Verdrängungsvolumens und weist je nach Nennvolumenstrom immer einen optimalen Wirkungsgrad auf.
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Für beide Alternativen erweist es sich als vorteilhaft, wenn jede Radialkolbenmaschine einen Anschlussblock mit einem eigenen Hochdruckanschluss und einem eigenen Niederdruckanschluss zur Druckmittelversorgung ihrer Flankenanschlüsse aufweist.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Radialkolbenmaschine in einer schematischen Zeichnung näher erläutert.
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Die Figur zeigt eine hydrostatische Radialkolbenmaschine 1 mit einem um eine Drehachse (nicht dargestellt) der Radialkolbenmaschine 1 rotierenden Zylinderblock 2, in dem radial sternförmig Zylinder 4 eingebracht sind. In jedem Zylinder 4 ist jeweils ein Kolben 6 geführt, über den ein radial innen im Zylinderblock 2 angeordneter hydrostatischer Arbeitsraum 8 des Zylinders 4 begrenzt ist. Die Radialkolbenmaschine 1 hat ein Gehäuse 10 und einen innen liegenden, gehäusefesten Distributor 12. Zwischen dem Gehäuse 10 und dem Distributor 12 ist der Zylinderblock 2 angeordnet.
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Der Distributor 12, der Zylinderblock 2 und das Gehäuse 10 sind im Wesentlichen konzentrisch zueinander angeordnet. In der Figur ist dies jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit als, in Umfangsrichtung betrachtet, lineare Abwicklung dargestellt. Eine Betrachtungsrichtung vom Zylinderblock 2 hin zum Gehäuse 10 wird demzufolge als „nach radial außen“ und eine Betrachtungsrichtung vom Zylinderblock 2 hin zum Distributor 12 als „nach radial innen“ benannt.
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Demgemäß ist radial außen des Zylinderblocks 2 ein Innenraum 14 des Gehäuses 10 ausgebildet, der durch die Kolben 6 im Wesentlichen Druckmitteldicht von den Arbeitsräumen 8 getrennt ist. An einer Innenseite des Gehäuses 10 weist dieses mehrere [n] Nocken 16 auf, wobei jeder Nocken 16 eine ansteigende Flanke 18 und eine abfallende Flanke 20 aufweist. An den Flanken 18, 20 sind die Kolben 6 jeweils mit einer Rolle 22 abgestützt, wodurch während der Rotationsbewegung des Zylinderblocks 2 eine der Nockenanzahl [n] entsprechende Hubzahl der Kolben 6 bewirkt (Radialkolbenmaschine 1 im Pumpenbetrieb) oder ermöglicht (Radialkolbenmaschine 1 im Motorbetrieb) wird. Jeder Flanke 18 ist ein Flankenanschluss 24 und jeder Flanke 20 ein Flankenanschluss 26 gehäusefest zugeordnet.
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In einem Motorbetrieb der Radialkolbenmaschine 1 sind die Flankenanschlüsse 24 mit einem Druck pHD von 200 bar und die Flankenanschlüsse 26 mit einem Druck pND von zum Beispiel 15 bar beaufschlagt. Dem entsprechend werden die Kolben 6 beim Überstreichen des Flankenanschlusses 24 aus dem Zylinder 4 ausgetrieben, was aufgrund der ansteigenden Ausrichtung der Flanke 18 zu einer Bewegung des Zylinderblocks 2 in 1 nach rechts führt (großer Pfeil). Beim Überstreichen der Flanke 20, was sich zeitlich/räumlich mit der Druckmittelverbindung des Arbeitsraumes 8 dem Flankenanschluss 26 (pND) deckt, wird der Kolben 6 in den Zylinder 4 eingetrie- ben und Druckmittel wird aus dem Arbeitsraum 8 über den Flankenanschluss 26 abgeführt.
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In einem Betrieb mit vollem oder unreduziertem Verdrängungsvolumen beziehungsweise Schluckvolumen liegt an jedem der Flankenanschlüsse 24 der Druck pHD und an den Flankenanschlüssen 26 der Druck pND an. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist nun jedoch der in 1 mittige Kolben 6 deaktiviert und von seinen Nocken 16 abgehoben. Das Abheben des mittigen Kolbens 6 vom Nocken 16 erfolgt dadurch, dass die beiden Flankenanschlüsse 24, 26 dieses Kolbens 6 mit Umgebungsdruck p0 = 0 bar beaufschlagt sind. Da im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Druck pI im Innenraum 14, 2 bar beträgt, bewirken die am Kolben 6 angreifenden Druckkräfte dessen Einfahren in den Zylinder 4 bis hin zum Anschlag. Dem entsprechend ist der Kolben 6 von seinem Nocken 16 (1 mittig) abgehoben.
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Auf diese Weise ist zum Einen das Verdrängungsvolumen der Radialkolbenmaschine 1 um das einzelne Verdrängungsvolumen des mittigen Kolbens 6 reduziert und zum Andern erfolgt aufgrund des Abhebens vom Nocken 16 kein unnötiges Umwälzen zwischen den Flankenanschlüssen 24, 26 und dem von diesen versorgten Arbeitsraum 8. Erfindungsgemäß ist so der Wirkungsgrad bei verringertem Verdrängungsvolumen der Radialkolbenmaschine 1 verglichen mit den Lösungen des Standes der Technik verbessert.
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Für den Fall, dass die Radialkolbenmaschine 1 mit gleicher Drehrichtung als Pumpe betrieben wird, wechselt die Druckbeaufschlagung der Flankenanschlüsse 24, 26, wie es durch die geklammerten Werte pND, pHD gemäß 1 angedeutet wird. Auch im Pumpenbetrieb wird der Flankenanschluss 24 und der Flankenanschluss 26 des mittigen, abzuhebenden Kolbens 6 mit dem Umgebungsdruck p0 = 0 bar beaufschlagt. Anders als im Motorbetrieb wird allerdings für den Druck im Gehäuseinnenraum 14 ein Wert pI von 3 bar gewählt. In beiden Fällen wird also an den Flankenanschlüssen 24, 26 des abzuhebenden Kolbens 6 ein kleinerer Druck als der im Innenraum 14 herrschende Gehäuseinnendruck pI gewählt.
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Das erfindungsgemäße Abheben ist nicht darauf beschränkt, dass der Druck im Gehäuse wie beschrieben erhöht wird, sondern kann alternativ oder ergänzend durch eine Absenkung der Drücke an den Flankenanschlüssen 24, 26 erfolgen.
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Die Radialkolbenmaschine 1 des gezeigten Ausführungsbeispiels ist nicht auf die zwei beschriebenen Betriebsquadranten beschränkt, sondern kann in allen vier Quadranten betrieben werden.
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Offenbart ist eine Radialkolbenmaschine mit rotierendem Zylinderblock in dem Kolben nach radial außen an einem Nocken aufweisenden, ruhenden Gehäuse der Radialkolbenmaschine abgestützt sind. Erfindungsgemäß wird zur Reduktion eines Verdrängungsvolumens der Radialkolbenmaschine eine Druckdifferenz zwischen einem vom Kolben begrenzten Arbeitsraum und einem von den Nocken begrenzten Gehäuseinnenraum derart eingestellt, dass zumindest einer der Kolben aufgrund der an ihm angreifenden hydrostatischen Druckkräfte vom Nocken abgehoben ist, wodurch die Reduktion des Verdrängungsvolumens bei dennoch hohem Wirkungsgrad ermöglicht ist.
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Offenbart ist weiterhin eine Radialkolbeneinheit mit zumindest zwei derartigen Radialkolbenmaschinen, deren Zylinderblöcke drehfest miteinander verbunden sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Radialkolbenmaschine
- 2
- Zylinderblock
- 4
- Zylinder
- 6
- Kolben
- 8
- Arbeitsraum
- 10
- Gehäuse
- 12
- Distributor
- 14
- Innenraum
- 16
- Nocken
- 18, 20
- Flanke
- 22
- Rolle
- 24, 26
- Flankenanschluss
- pHD
- Hochdruck
- pND
- Niederdruck
- p0
- Umgebungsdruck
- pI
- Druck Innenraum
