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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine.
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Eine gattungsgemäße Axialkolbenmaschine ist aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Sie umfasst einen in einer Drehachse drehbar gelagerten Zylinderblock mit in der Praxis mehreren, in gleichmäßigen Winkelabständen auf einem Teilkreisdurchmesser des Zylinderblocks in Zylinderbohrungen hubbeweglich angeordneten Kolben. Die Kolben sind einerseits mit radialem Führungsspiel in den Zylinderbohrungen angeordnet, und wirken andererseits mit einem Ende zumindest mittelbar beispielsweise mit einer schräg gelagerten Scheibe zusammen, so dass bei einer Drehung des Zylinders relativ zur Scheibe die Hubbewegung der Kolben in den Zylinderbohrungen erfolgt. Während des Betriebs der Axialkolbenmaschine ist es erforderlich, die Kontaktflächen zwischen den Kolben und den Zylinderbohrungen zu schmieren, um einen erhöhten Verschleiß bzw. eine nicht gewünschte Reibung zu vermeiden. Hierzu wird in der Regel das vorhandene radiale Führungsspiel der Kolben in den Zylinderbohrungen zur Ausbildung von Schmiermittelfilmen ausgenutzt, wobei an einer Stirnseite des Zylinderblocks unter Druck stehendes Schmiermittel als Schmiermittelreservoir zur Verfügung steht. Aufgrund des radialen Führungsspiels zwischen den Kolben und den Zylinderbohrungen sowie von Querkraftkomponenten kommt es während des Betriebs der Axialkolbenmaschine zu einer bereichsweisen Anlage der Umfangsfläche des Kolbens an der Wand der Zylinderbohrung, wobei sich der Ort der Anlagefläche sich in der Regel stets ändert, und wobei durch die sich ändernden Anlageflächen eine Pumpwirkung erzielt wird, die dafür sorgt, dass das Schmiermittel in den radialen Führungsspalt zwischen den Kolben und den Zylinderbohrungen gelangt. Dabei ist eine zeitweise und örtlich wechselnde Anlage der Kolben an der Oberfläche der Zylinderbohrung mit Blick auf den Verschleiß bzw. die Reibung relativ unkritisch. Problematisch ist hingegen, dass bei höheren Drehzahlen der Axialkolbenmaschine bzw. des Zylinderblocks die in den Zylinderbohrungen geführten Kolben aufgrund von Fliehkräften radial nach außen gedrückt werden, so dass linienförmige Kontakt- bzw. Anlageflächen zwischen dem Kolben und der Zylinderbohrung geschaffen werden, die sich aufgrund der Fliehkräfte stets an derselben Stelle der Zylinderbohrung befinden. Aufgrund der Fliehkräfte, mit denen die Kolben gegen die Zylinderbohrungen im Bereich der Kontakt- bzw. Anlageflächen gepresst werden, ist eine Versorgung der Kontaktflächen mit Schmiermittel nicht oder nur sehr eingeschränkt möglich, wobei gleichzeitig durch die Hubbewegung der Kolben entlang der Kontaktflächen ein erhöhter Verschleiß auftreten kann. Dies ist umso kritischer, desto höher die Drehzahl der Axialkolbenmaschine und je geringer das Radialspiel zwischen den Kolben und den Zylinderbohrungen ist, wobei letztes aus Gründen einer geringen Leckage erwünscht ist.
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Aus der
DE 10 2012 223 334 A1 der Anmelderin ist eine Kolbenzylindereinheit bekannt, die unter anderem bei Axialkolbenmaschinen eingesetzt werden kann. Die bekannte Kolbenzylindereinheit weist an der Umfangsfläche des Kolbens in Längsrichtung verlaufende Schmiermittelversorgungsnuten auf. Wesentlich dabei ist, dass die Anordnung dazu dient, eine in einem axialen Endbereich der Zylinderbohrung zwischen den Kolben und der Zylinderbohrung auftretende erhöhte Flächenpressung zwischen dem Zylinder und der Kolbenbohrung infolge von Querkräften dahingehend entgegen zu wirken, dass dieser Bereich durch die in Längsrichtung verlaufenden Schmiermittelversorgungsnuten geschmiert werden. Die Problematik eine über die gesamte Länge der Zylinderbohrung anliegenden Kontaktfläche des Kolbens ist aus der Schrift jedoch nicht entnehmbar. Weiterhin reichen die aus der genannten Schrift offenbarten Schmiermittelversorgungsnuten auf der einem Schmiermittelreservoir zugewandten Seite bis an die entsprechende Stirnseite des Kolbens heran.
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Darüber hinaus ist aus der
DE 101 02 234 A1 der Anmelderin ein Kraftstoffinjektor bekannt, dessen Düsennadel an einer Umfangsfläche in einem in einem Gehäuseteil angeordneten Führungsbereich unterschiedlich ausgebildete bzw. angeordnete Ausnehmungen aufweist, die mit Kraftstoff aus einem Hochdruckbereich des Kraftstoffinjektors versorgt sind. Die aus der genannten Schrift bekannten Ausnehmungen dienen dazu, die Düsennadel innerhalb der Führung in einer mittleren Position zu positionieren, d.h., dass zwischen der Düsennadel und der Führungsbohrung kein Anlagekontakt bestehen soll. Die Übertragung der Lehre auf eine Axialkolbenmaschine scheitert jedoch daran, dass die üblicherweise zur Verfügung stehenden Drücke aus dem Schmiermittelreservoir der Axialkolbenmaschine deutlich geringer sind als die Drücke, die in einem Kraftstoffinjektor auftreten, die beispielsweise mehr als 2000bar betragen können.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Axialkolbenmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass die zwischen einem Kolben und einer Zylinderbohrung bei höheren Drehzahlen der Axialkolbenmaschine auftretenden linienförmigen Kontaktflächen ausreichend mit Schmiermittel versorgt werden, um einen erhöhten Verschleiß bzw. eine erhöhte Reibung zwischen den Kolben und dem Zylinderblock zu vermeiden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Axialkolbenmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass an der Umfangsfläche des Kolbens wenigstens eine Schmiermittelversorgungsnut ausgebildet ist, die bei einer Drehung des Zylinderblocks um seine Drehachse eine in Bezug auf die Drehachse radial äußere, an der Zylinderbohrung zumindest bereichsweise anliegende Kontaktfläche des Kolbens mit einem in Bezug auf die Drehachse des Zylinderblocks radial inneren, einen Schmiermittelspalt ausbildenden Bereich verbindet. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass mittels der wenigstens einen Schmiermittelversorgungsnut eine Verbindung hergestellt wird zwischen der Kontaktfläche des Kolbens an der Zylinderbohrung und einem Teilbereich des radialen Spalts zwischen der Zylinderbohrung und dem Kolben, in dem sich Schmiermittel ansammelt, das aufgrund der Rotation des Zylinderblocks aus dem Bereich der Kontaktfläche verdrängt wurde.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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In einer ersten konstruktiven Ausgestaltung der wenigstens einen Schmiermittelversorgungsnut ist es vorgesehen, dass diese in Umfangsrichtung des Kolbens verläuft. Die Schmiermittelversorgungsnut kann beispielsweise in Form einer Ringnut ausgebildet sein, so dass bei einer Hubbewegung des Kolbens in der Zylinderbohrung der entsprechende, mit der Schmiermittelversorgungsnut in Überdeckung befindliche Bereich der Wand der Zylinderbohrung geschmiert wird. Vorzugsweise verläuft eine derartige Ringnut jedoch nicht über den gesamten Umfang des Kolbens, sondern lediglich über einen Teilbereich. Wenn eine entsprechende Anzahl von in Längsrichtung nebeneinander angeordneten und in Umfangsrichtung verlaufenden Schmiermittelversorgungsnuten ausgebildet wird, findet somit eine großflächige Schmierung des betroffenen Bereichs statt.
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Alternativ ist es jedoch auch denkbar, dass die wenigstens eine Schmiermittelversorgungsnut in Längsrichtung des Kolbens verläuft. Dieser Vorschlag macht sich die Tatsache zunutze, dass der Kolben sich während des Betriebs der Axialkolbenmaschine auch um seine eigene Achse dreht, so dass die wenigstens eine, in Längsrichtung verlaufende Schmiermittelversorgungsnut zeitweise in Kontakt mit der entsprechenden Fläche der Zylinderbohrung gelangt und diese schmiert. Dabei wird das Schmiermittel bei der Drehung des Kolbens in der Schmiermittelversorgungsnut eingeschlossen bzw. gefördert.
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Besonders bevorzugt ist eine Schmiermittelversorgungsnut, die einen in Umfangsrichtung verlaufenden ersten Abschnitt und einen in Längsrichtung verlaufenden zweiten Abschnitt aufweist, wobei der erste Abschnitt lediglich über einen Teil des Umfangs des Kolbens reicht. Eine derartige Ausführungsform hat insbesondere den Vorteil, dass durch den lediglich über einen Teil des Umfangs des Kolbens verlaufenden ersten Abschnitt der Schmiermittelversorgungsnut das Druckpolster des Schmierfilms auf der der Kontaktfläche gegenüberliegenden Seite nicht unterbrochen wird.
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In konstruktiver Weiterbildung des zuletzt genannten Vorschlags ist es vorgesehen, dass der erste Abschnitt lediglich über einen Winkel von weniger als 90° in Umfangrichtung des Kolbens reicht.
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In wiederum alternativer Ausgestaltung der wenigstens einen Schmiermittelversorgungsnut kann es vorgesehen sein, dass diese spiralförmig ausgebildet ist. Dabei sollte die Steigung einer derartigen, spiralförmigen Schmiermittelversorgungsnut möglichst groß gewählt werden, damit die Schmiermittelversorgungsnut zumindest in einem Teilbereich in Wirkverbindung bzw. hydraulischer Verbindung mit dem Schmiermittel angeordnet ist, d.h. sich außerhalb der Kontaktfläche befindet. Unter spiralförmig im Sinne der Erfindung wird dabei eine Form der Schmiermittelversorgungsnut gesehen, bei der diese beispielsweise eine konstante Steigung (wie bei einem Gewinde) oder eine variable Steigung oder eine S-förmige Form aufweisen kann.
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Ganz besonders bevorzugt bei allen Varianten von Schmiermittelversorgungsnuten ist es, wenn mehrere, vorzugsweise in gleich großen Winkelabständen zueinander angeordnete Schmiermittelversorgungsnuten vorgesehen sind. Dadurch ist auch bei einer relativ langsamen Drehung der Kolben um ihre jeweilige Drehachse stets eine ausreichende Schmierung der Kontaktfläche zwischen dem Kolben und der Zylinderbohrung sichergestellt.
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In konstruktiver Weiterbildung der Axialkolbenmaschine ist es vorgesehen, dass die wenigstens eine Schmiermittelversorgungsnut axial beabstandet von den Stirnseiten des Hubkolbens enden, derart, dass sich die wenigstens eine Schmiermittelversorgungsnut stets innerhalb der Zylinderbohrung befinden und dass der Schmiermittelspalt Verbindung mit dem Schmiermittelreservoir hat. Eine derartige Ausgestaltung der Axialkolbenmaschine stellt einerseits sicher, dass die Leckageverluste relativ gering sind und dass andererseits die wenigstens eine Schmiermittelversorgungsnut stets mit Schmiermittel befüllt bzw. versorgt ist.
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Besonders bevorzugt ist die Verwendung einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine bei Kraftfahrzeuganwendungen, bei denen die Drehzahl des Zylinderblocks bzw. der Axialkolbenmaschine mehr als 1000min–1 beträgt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt in:
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1 den grundsätzlichen Aufbau einer Axialkolbenmaschine in einer perspektivischen, teilweise geschnittenen und stark vereinfachten Darstellung,
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2a und 2b einen in einer Zylinderbohrung angeordneten Kolben während des Betriebs bei relativ geringer Drehzahl der Axialkolbenmaschine in vereinfachter Darstellung,
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3 ein Zylinderblock der Axialkolbenmaschine der 1 bei hoher Drehzahl zur Verdeutlichung der radial außenliegenden Kontaktflächen zwischen den Kolben und den Zylinderbohrungen und
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4 bis 7 jeweils teilweise geschnittene, perspektivische Ansichten unterschiedlich ausgebildeter, erfindungsgemäßer Schmiermittelversorgungsnuten an einem Kolben.
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der 1 ist der grundsätzliche Aufbau einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine 10 dargestellt. Die Axialkolbenmaschine 10 weist einen um eine Drehachse 11 drehbaren Zylinderblock 12 auf, der eine im Querschnitt runde bzw. kreisförmige äußere Querschnittsfläche aufweist. Alternativ weist der Zylinderblock 12 eine andere Querschnittsfläche, insbesondere eine quadratische Querschnittsfläche, auf. Auf einem Teilkreisdurchmesser um die Drehachse 11 des Zylinderblocks 12 sind, vorzugsweise in gleichgroßen Winkelabständen, beispielhaft fünf, für den Zylinderblock namensgebende, Zylinderbohrungen 13 ausgebildet, die über die gesamte Länge des Zylinderblocks 12 verlaufen. In die Zylinderbohrungen 13 des Zylinderblocks 12 tauchen Hubkolben 15 ein, die aus der einen Stirnseite 16 des Zylinderblocks 15 herausragen und sich zumindest mittelbar an einer ortsfest angeordneten, um einen Winkel α zur Drehachse 11 schräg angeordneten Scheibe 18 abstützen. Wesentlich ist darüber hinaus, dass die parallel zur Drehachse 11 beweglich angeordneten Hubkolben 15 jeweils eine Längsachse 19 aufweisen, um die die Hubkolben 15 sich beim Betrieb der Axialkolbenmaschine 10 drehen können. Innerhalb der Zylinderbohrungen 13 sind die Hubkolben 15 mit lediglich relativ geringem radialem Führungsspiel angeordnet. Die eine Stirnseite 16 des Zylinderblocks 12 ist in Wirkverbindung mit einem im Einzelnen nicht dargestellten Schmiermittelreservoir 20 verbunden, derart, dass in die zwischen den Hubkolben 15 und den Zylinderbohrungen 12 ausgebildeten Radialspalte 22 unter Druck stehendes Schmiermittel eindringen kann. Eine soweit beschriebene Axialkolbenmaschine 10 und deren Betriebsweise sind aus dem Stand der Technik an sich bekannt.
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Beim Betrieb der Axialkolbenmaschine 10 kommt es bei niedrigen Drehzahlen, mit denen sich der Zylinderblock 12 um seine Drehachse 11 dreht, infolge des Radialspiels zwischen dem Außenumfang der Hubkolben 15 und dem Innendurchmesser der Zylinderbohrungen 13 aufgrund von Querkräften zu einem Verkippen der Hubkolben 15 innerhalb der Zylinderbohrungen 13, wie dies anhand der 2a und 2b verdeutlich sein soll. Hierbei ist zwischen der Zylinderbohrung 13 und dem Hubkolben 15 zur besseren Erkennbarkeit ein in der Zeichnung maßstäblich zu groß dargestellter, sichelförmiger Radialspalt 22 ersichtlich, wobei je nach Stellung des Zylinderblocks 12 bzw. der Hubkolben 15 an den jeweiligen axialen Endbereichen des Hubkolbens 15 innerhalb der Zylinderbohrungen 13 sich über einen Teilbereich der Länge der Hubkolben 15 erstreckende, in etwa linienförmige Anlageflächen 23, 24 zwischen den Hubkolben 15 und den Zylinderbohrungen 13 ergeben.
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Demgegenüber ist in der 3 der Zustand dargestellt, der sich bei einer Axialkolbenmaschine 10 einstellt, wenn deren Drehzahl relativ hoch, beispielsweise mehr als 1000min–1, beträgt. Insbesondere ist dabei erkennbar, dass durch die auf die Hubkolben 15 einwirkenden Flieh- bzw. Zentrifugalkräfte die Hubkolben 15 in Bezug auf die Drehachse 11 des Zylinderblocks 12 radial nach außen gedrückt werden, derart, dass die Hubkolben 15 innerhalb der Zylinderbohrungen 13 an den Wänden der Zylinderbohrungen 13 vollständig entlang von linienförmigen Anlageflächen 25 anliegen. Wesentlich dabei ist, dass im Bereich der Anlageflächen 25 zwischen den Hubkolben 15 und den Zylinderbohrungen 13 ohne besondere Maßnahmen eine ungenügende Schmierung auftritt, die zu erhöhtem Verschleiß bzw. Reibung führen kann.
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Um dies zu vermeiden, sind die Hubkolben 15a bis 15d entsprechend der Darstellung der 4 bis 7 erfindungsgemäß besonders ausgebildet bzw. gestaltet. Bei der in der 4 dargestellten ersten Ausführungsform der Erfindung weist der Hubkolben 15a wenigstens eine, bevorzugt jedoch mehrere parallel zueinander angeordnete, radial umlaufende Schmiermittelversorgungsnuten 30a auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel reichen die Schmiermittelversorgungsnuten 30a jeweils über die gesamte Umfangsfläche des Hubkolbens 15a. Insbesondere bei mehreren Schmiermittelversorgungsnuten 30a kann es jedoch vorgesehen sein, dass die jeweiligen Schmiermittelversorgungsnuten 30a jeweils nur über einen Drehwinkel von beispielsweise 180° bis 270° (bezogen auf die Längsachse 19 des Hubkolbens 15a) reichen, wobei in axialer Richtung benachbart zueinander angeordnete Schmiermittelversorgungsnuten 30a mit reduzierten Umfangslänge um einen Drehwinkel zueinander versetzt angeordnet sind. Bei einer Anlage des Hubkolbens 15a entlang der Anlagefläche 25 gelangt Schmiermittel über den Radialspalt 22 (welcher Verbindung mit Schmiermittelreservoir 20 hat) in den Bereich der Schmiermittelversorgungsnut 30a und somit auch in den Bereich der Anlagefläche 25.
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Bei dem in der 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind mehrere, vorzugsweise in gleich großen Winkelabständen in Bezug zur Längsachse 19 zueinander angeordnete, parallel zur Längsachse 19 bzw. in Längsrichtung des jeweiligen Hubkolbens 15b angeordnete Schmiermittelversorgungsnuten 30b vorgesehen, die geradlinig ausgebildet sind. Die Schmiermittelversorgungsnuten 30b reichen nur über einen Teilbereich der axialen Länge des jeweiligen Hubkolbens 15b derart, dass sich die Schmiermittelversorgungsnuten 30b bei einer Hubbewegung der Hubkolben 15 stets innerhalb der Zylinderbohrungen 13 befinden und somit keine direkte Verbindung zum Schmiermittelreservoir 20 haben. Insbesondere enden die Schmiermittelversorgungsnuten 30b axial vor den jeweiligen Stirnseiten der Hubkolben 15. Die Versorgung der Anlageflächen 25 mit Schmiermittel erfolgt dadurch, dass bei einer Drehung des Hubkolbens 15 um seine Längsachse 19 jeweils eine Schmiermittelversorgungsnut 30b mit darin befindlichem Schmiermittel in Wirkverbindung mit der Zylinderbohrung 13 im Bereich der Anlagefläche 25 gelangt. Das Eindringen bzw. Benetzen der Schmiermittelversorgungsnuten 30b mit dem Schmiermittel erfolgt dabei in den Bereichen der Zylinderbohrung 13, in der ein genügend großer Radialspalt 22 mit entsprechendem, unter Druck stehendem Schmiermittel aus dem Schmiermittelreservoir 20 vorhanden ist.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung entsprechend der 6 sind mehrere Schmiermittelversorgungsnuten 30c vorgesehen, die jeweils aus einem ersten, in Umfangsrichtung des Hubkolbens 15c verlaufenden ersten Abschnitt 31 und einem zweiten Abschnitt 32 bestehen, der in Längsrichtung des Hubkolbens 15c verläuft, bestehen. Die beiden Abschnitte 31, 32 bilden zusammen die im Ausführungsbeispiel L-förmige Schmiermittelversorgungsnut 30c aus. Insbesondere reicht der erste Abschnitt 31 der Schmiermittelversorgungsnut 30c lediglich über einen Teilbereich des Umfangs des Hubkolbens 15, vorzugsweise über einen Winkel von weniger als 90°.
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Zuletzt ist in der 7 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei der an einem Hubkolben 15d mehrere, in gleichmäßigen Abständen zueinander angeordnete, spiralförmige Schmiermittelversorgungsnuten 30d vorgesehen sind. Wesentlich dabei ist, dass die Schmiermittelversorgungsnuten 30d eine relativ große Steigung aufweisen, derart, dass zumindest ein Teilbereich einer Schmiermittelversorgungsnut 30d einerseits sich im Bereich der Anlagefläche 25, und andererseits im Bereich des mit Schmiermittel versehenen Radialspalts 22 befindet, damit sichergestellt ist, dass Schmiermittel in den Bereich der Anlagefläche 25 gelangt.
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Wie oben bereits erläutert, ist es bevorzugt vorgesehen, dass die Schmiermittelversorgungsnuten 30a bis 30d, sich jeweils nicht über die gesamte axiale Länge des Hubkolbens 15 innerhalb der Zylinderbohrung 13 erstrecken. Das bedeutet, dass die Versorgung der Schmiermittelversorgungsnut 30a bis 30d über das Schmiermittelreservoir 20 über den Radialspalt 22 erfolgt.
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Hinsichtlich der genauen Geometrie und dem Querschnitt der Schmiermittelversorgungsnuten
30a bis
30d wird auf die
DE 10 2012 223 334 A1 der Anmelderin verwiesen, die diesbezüglich Bestandteil der vorliegenden Patentanmeldung sein soll.
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Die soweit beschriebene Axialkolbenmaschine 10 bzw. deren Schmiermittelversorgungsnuten 30a bis 30d können in vielfältiger Art und Weise abgewandelt und modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012223334 A1 [0003, 0031]
- DE 10102234 A1 [0004]
