-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
-
Stand der Technik
-
Axialkolbenmaschinen 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 Axialkolbenmaschinen stützen sich mehrere in einer rotierenden Zylindertrommel geführte Kolben, auch bekannt als Arbeitskolben, über Gleitschuhe an einer Gleitfläche einer Schrägscheibe ab. 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.
-
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 Axialkolbenmaschine 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.
-
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 die Kolben dadurch 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.
-
Die Aufgabe der Erfindung ist, eine Axialkolbenmaschine bereitzustellen, die eine Mangelschmierung zwischen Arbeitskolben und Zylinderbohrung vermeidet und eine sichere Funktion gewährleistet.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die Aufgabe wird hinsichtlich der Axialkolbenmaschine durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
-
Die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine weist eine als Schrägscheibe ausgebildete Laufbahn 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 über Gleitschuhe auf der Laufbahn abstützen. Zwischen einem Arbeitskolben und dem entsprechenden Gleitschuh ist jeweils ein Mittel zur Vermeidung einer Rotationsbewegung des Arbeitskolbens und des Gleitschuhs zueinander angeordnet. Erfindungsgemäß ist das Mittel koaxial zur Rotationsachse des Gleitschuhs angeordnet.
-
Bei der Axialkolbenmaschine weisen der Gleitschuh, bzw. die Rotationsachse des Gleitschuhs und der Arbeitskolben, bzw. die Rotationsachse des Arbeitskolbens einen Winkel α zueinander auf. Im Betrieb der Axialkolbenmaschine, das heißt bei einer Rotation der Zylindertrommel, gleitet der Gleitschuh auf der Schrägscheibe. Im Betrieb findet keine Rotation des Gleitschuhs relativ zur Drehachse der Axialkolbenmaschine statt. Das Mittel zur Vermeidung einer Rotationsbewegung des Arbeitskolbens und des Gleitschuhs zueinander sorgt dabei in vorteilhafter Weise dafür, dass der Arbeitskolben ebenfalls nicht relativ zur Drehachse der Axialkolbenmaschine 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).
-
Somit wird eine Mangelschmierung zwischen Arbeitskolben und Kolbenbohrungen vermieden und eine mögliche Fressneigung zwischen den Bauteilen wird reduziert.
-
Eine Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Axialkolbenmaschine eine Pumpe oder ein Motor mit einem konstanten Winkel α zwischen Schrägscheibe und Zylindertrommel ist. Es handelt sich um eine Konstantpumpe, bzw. um einen Konstantmotor. In vorteilhafter Weise beträgt der Winkel α zwischen 5 und 30°, insbesondere zwischen 10 und 20°. In einer bevorzugten Ausführung beträgt der Winkel α 15°, wodurch der Wirkungsgrad der Axialkolbenmaschine optimiert ist.
-
In einer Weiterbildung der Erfindung ist das Mittel in einer Ausnehmung des Gleitschuhs und in einer Ausnehmung des Arbeitskolbens angeordnet. Ferner ist die Ausnehmung des Arbeitskolbens im Kopf des Arbeitskolbens ausgebildet Die Ausnehmung im Gleitschuh, sowie die Ausnehmung im Kopf des Arbeitskolbens lassen sich vor der Montage des Arbeitskolbens mit dem Gleitschuh in vorteilhafter und einfacher Weise fertigen, wodurch das Mittel in einfacher Weise in den Ausnehmungen anzuordnen ist.
-
In einer Weiterbildung der Erfindung weisen das Mittel und der Arbeitskolben Durchgangsbohrungen auf. Die Durchgangsbohrungen bilden eine hydraulische Verbindung zwischen zumindest einem Arbeitsraum der Arbeitskolben und zumindest einer Öffnung zum Druckabbau eines Arbeitsmediums während eines Umsteuervorgangs der Axialkolbenmaschine, wobei die Öffnung in einen Niederdruckbereich der Axialkolbenmaschine mündet.
-
Während des Betriebs der Axialkolbenmaschine, baut sich in den Arbeitsräumen der Arbeitskolben Druck eines Arbeitsmediums auf, bzw. es steht Druck in den Arbeitsräumen an. Bei dem Arbeitsmedium handelt es sich vorzugsweise um Öl, zum Beispiel Hydrauliköl. Das Arbeitsmedium schmiert gleichzeitig die Komponenten der Axialkolbenmaschine. Das unter Druck stehende Arbeitsmedium wird von dem Arbeitsraum der Arbeitskolben über die Durchgangsbohrungen in einen Niederdruckbereich der Axialkolbenmaschine abgebaut.
-
Durch die hydrostatische Entlastung wird der Verschleiß der in Kontakt stehenden Komponenten verringert und es ist eine höhere Belastung der Kontaktstellen möglich.
-
In einer Weiterbildung der Erfindung sind das Mittel als eine Schraube und die Ausnehmung des Arbeitskolbens als eine Gewindebohrung zur Aufnahme der Schraube ausgebildet. Dadurch wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass der Gleitschuh derart mit dem Arbeitskolben verbunden ist, dass eine Rotationsbewegung des Arbeitskolbens und des Gleitschuhs zueinander effektiv vermieden wird.
-
Die Erfindung ist bevorzugt bei Axialkolbenmaschinen einzusetzen, bei den Mangelschmierungen zwischen Arbeitskolben und Kolbenbohrungen auftreten können. Dies ist insbesondere bei Axialkolbenmaschinen der Fall, bei denen hohen Fliehkräfte durch hohe Drehzahlen entstehen oder die mit relativ niedrigen Drücken betrieben werden.
-
Die Erfindung betrifft des Weiteren einen mobilen oder stationären Hydraulikantrieb mit einer vorab beschriebenen Axialkolbenmaschine. Die Axialkolbenmaschine in dem Hydraulikantrieb wird auch als Hydrostat bezeichnet. Der mobile Hydraulikantrieb ist vorzugsweise Teil eines Hydraulikhybridantriebsstrangs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs.
-
Ferner ist auch die Anwendung als mobile oder stationäre hydraulische Arbeitsmaschine möglich wie beispielsweise Spritzgussmaschinen.
-
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus der Beschreibung und der nachfolgenden Zeichnung.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnung
-
Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
-
Es zeigen:
-
1: einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine;
-
2: einen Ausschnitt einer Ausführungsform eines Arbeitskolbens und eines Gleitschuhs der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine;
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
Der in 1 dargestellte Längsschnitt zeigt eine erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine 1, die als konstante Axialkolbenpumpe zur Umsetzung bzw. Umwandlung von mechanischer Energie (Drehmoment, Drehzahl) in hydraulische Energie (Volumenstrom, Druck) oder als konstanter Axialkolbenmotor zur Umsetzung bzw. Umwandlung hydraulischer Energie (Volumenstrom, Druck) in mechanische Energie (Drehmoment, Drehzahl) dienen kann. Die Axialkolbenmaschine 1 fördert dabei ein Arbeitsmedium, bei dem es sich vorzugsweise um Öl, zum Beispiel Hydrauliköl handelt. Das Arbeitsmedium schmiert gleichzeitig die Komponenten der Axialkolbenmaschine 1. Eine Antriebswelle 9 ist mittels einer Lagerung 10 an einem Gehäuseteil 21 und mit einer weiteren Lagerung 10 an einer Anschlußplatte 4 der Axialkolbenmaschine 1 um eine Rotationsachse 8 drehbar bzw. rotierend gelagert. Die Anschlußplatte 4 und das Gehäuseteil 21 bilden das Gehäuse der Axialkolbenmaschine 1, wobei der Hohlraum des Gehäuses einen Niederdruckbereich 60 der Axialkolbenmaschine 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.
-
Eine Schrägscheibe 14 ist in einem Winkel α zur Rotationsachse 8 der Antriebswelle 9 an dem Gehäuseteil 21 angeordnet. Zudem weist die Schrägscheibe 14 eine Öffnung 42 zur Durchführung der Antriebswelle 9 auf. Durch die Schrägstellung der Schrägscheibe 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.
-
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.
-
Die Schrägscheibe 14 weist eine ebene bzw. plane Fläche auf, die als Laufbahn 18, bzw. Gleitfläche ausgebildet ist. Auf der Laufbahn 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 Laufbahn 18 der Schrägscheibe 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 Laufbahn 18, bzw. über den Gleitschuh 37 an der Schrägscheibe 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 möglichst eine ständige Verbindung zwischen dem Arbeitskolben 7 und der Laufbahn 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 Axialkolbenmaschine 1 aus. Ferner weisen die Gleitschuhe 37 eine Rotationsachse 36 auf.
-
2 zeigt einen Arbeitskolben 7 mit einem Gleitschuh 37 der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine 1. Zwischen dem Arbeitskolben 7 und dem Gleitschuh 37 ist ein Mittel 50 zur Vermeidung einer Rotationsbewegung des Arbeitskolbens 7 und des Gleitschuhs 37 zueinander angeordnet. Das Mittel 50 ist als Schraube 50 ausgebildet und koaxial zur Rotationsachse 36 des Gleitschuhs 37 angeordnet. Der Gleitschuh 37, bzw. die Rotationsachse 36 des Gleitschuhs 37 und der Arbeitskolben 7, bzw. die Rotationsachse 35 des Arbeitskolbens 7 einen Winkel α zueinander auf.
-
Im Betrieb der Axialkolbenmaschine 1, das heißt bei einer Rotation der Zylindertrommel 5, gleitet der Gleitschuh 37 auf der Schrägscheibe 14. Im Betrieb findet keine Rotation des Gleitschuhs 37 relativ zur Drehachse 8 der Axialkolbenmaschine 1 statt. Die Drehung des Arbeitskolbens 7 in der Kolbenbohrung 6 während des Betriebs der Axialkolbenmaschine 1 ist abhängig von den Reibungsverhältnissen zwischen:
- 1. der Reibung zwischen Arbeitskolben 7 und Kolbenbohrung 6,
- 2. der Reibung zwischen Arbeitskolben 7 und Gleitschuh 37 und
- 3. der Reibung zwischen Gleitschuh 37 und Laufbahn 18.
-
Die Schraube 50 sorgt dafür, dass im Betrieb die Drehung der Rotationsachse 35 des Arbeitskolbens 7 gleich der Drehung der Rotationsachse 36 des Gleitschuhs 37 ist. Bei einem Winkel α größer 0°, ist die Reibung zwischen Gleitschuh 37 und Laufbahn 18 größer als die Reibung zwischen Arbeitskolben 7 und Kolbenbohrung 6, so dass zwischen dem Arbeitskolben 7 und der Kolbenbohrung 6 eine Zwangsrotationsbewegung entsteht. Insbesondere bei einem Winkel α zwischen 5 und 30°. Der eingestellte Winkel α beträgt in der hier gezeigten Ausführung zwischen 10 und 20°, im speziellen 15°.
-
Die Schraube 50 ist in einer Ausnehmung 82 des Gleitschuhs 37 und in einer Ausnehmung 80 des Arbeitskolbens 7 angeordnet. Ferner ist die Ausnehmung 80 des Arbeitskolbens 7 im Kopf 39 des Arbeitskolbens 7 ausgebildet. Die Ausnehmung 80 des Arbeitskolbens 7 als eine Gewindebohrung zur Aufnahme der Schraube 50 ausgebildet.
-
Die Schraube 50 und der Arbeitskolben- 7 weisen Durchgangsbohrungen 66, 67 auf. Die Durchgangsbohrungen 66, 67 bilden eine hydraulische Verbindung zwischen zumindest einem Arbeitsraum 49 der Arbeitskolben 7 und zumindest einer Öffnung zum Druckabbau eines Arbeitsmediums während eines Umsteuervorgangs der Axialkolbenmaschine 1, wobei die Öffnung in einen Niederdruckbereich 60 der Axialkolbenmaschine mündet.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102011113533 A1 [0003]
