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Die Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine für den Pumpen- und/oder Motorbetrieb gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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In Axialkolbenmaschinen ist mindestens ein Arbeitskolben in einer Zylinderbohrung einer Kolbentrommel längsverschiebbar gelagert und bildet mit der Zylinderbohrung einen Zylinderraum aus. Der Zylinderraum wird durch die Längsbewegung des Arbeitskolbens abwechselnd komprimiert und entspannt und entsprechend abwechselnd mit einem Hochruckspeicher und einem Niederdruckspeicher verbunden. Beim Umsteuern von der Niederdruckspeicheranbindung zur Hochdruckspeicheranbindung treten Pulsationen auf, die eine starke Geräuschbildung zur Folge haben können. Um dem entgegenzuwirken, werden sogenannte Vorkompressionsvolumen eingesetzt, die durch Vorkompressionsräume gebildet werden.
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Axialkolbenmaschinen mit Vorkompressionsräumen, bzw. -zonen sind aus dem Stand der Technik, wie zum Beispiel aus der
DE 197 06 114 C5 bekannt. Dabei wird ein Vorkompressionsvolumen bzw. ein Speicherelement in einen Steuerspiegel bzw. in eine Anschlussplatte der Axialkolbenmaschine integriert. Das aus dem Stand der Technik bekannte Vorkompressionsvolumen kann zusätzlich über Ventilvorrichtungen gesteuert werden.
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Die Anordnung der Vorkompressionsräume in der Anschlußplatte führt zu zusätzlichem Bauraumbedarf. Im Hinblick auf Pkw-Anwendungen spielt der Bauraum bei Axialkolbenmaschinen eine immer gewichtigere Rolle.
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Die Aufgabe der Erfindung ist die Reduzierung des Bauraumes zur Schaffung von Vorkompressionsräumen und die Vereinfachung der Fertigung derselben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe wird hinsichtlich der Axialkolbenmaschine durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine für den Pumpen- und/oder Motorbetrieb weist ein Gehäuse, eine mit dem Gehäuse verbundenen Anschlußplatte und einen im Gehäuseinnenraum auf einer rotierbaren Triebwelle angeordnete Kolbentrommel auf, wobei in der Kolbentrommel mindestens eine Zylinderbohrung ausgebildet ist, in der ein Arbeitskolben längsverschiebbar angeordnet ist und dadurch mit der Zylinderbohrung einen volumenveränderbaren Zylinderraum begrenzt, wobei der Zylinderraum über mindestens eine hydraulische Verbindung mit mindestens einem Vorkompressionsraum verbindbar ist, wobei der mindestens eine Vorkompressionsraum durch das Gehäuse und die Anschlußplatte gebildet ist.
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Durch die Anordnung des Vorkompressionsraums im Gehäuse und der Anschlußplatte werden potenzielle Geräuschquellen ins Innere der Axialkolbenmaschine verlagert und damit eine Geräuschemission nach außen minimiert. Zusätzlich wird die Bauweise der Axialkolbenmaschine kompakt gehalten.
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In einer vorteilhaften Ausführung ist der Vorkompressionsraum durch einen Hohlraum im Gehäuse und / oder einen Hohlraum in der Anschlußplatte gebildet. Ferner weisen das Gehäuse und die Anschlußplatte angrenzend zu den jeweiligen Hohlräumen eine Kontaktfläche zueinander auf.
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Dadurch bilden die Hohlräume in vorteilhafter Weise den Vorkompressionsraum. In einer Weiterbildung der Erfindung weiten sich die Hohlräume zur Kontaktfläche hin auf, wobei die Aufweitung in vorteilhafter Weise in Ausformrichtung des Gehäuses, bzw. der Anschlußplatte ausgebildet ist so dass bei der Fertigung der Bauteile, insbesondere bei einem Gussverfahren, keine Sandkerne eingesetzt werden müssen. Dadurch können Kosten eingespart werden, da beispielsweise auf entsprechende Reinigungsverfahren verzichtet werden kann.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass an der Kontaktfläche eine Dichtung angeordnet ist.
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Durch die Dichtung wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass der Vorkompressionsraum hinreichend abgedichtet wird.
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Durch Druck im Vorkompressionsraum auftretende axiale Kräfte können durch zusätzliche Schrauben zwischen dem Gehäuse und der Anschlußplatte in einfacher Weise aufgenommen werden.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Kontaktfläche und / oder die Dichtung eine hydraulische Verbindung zwischen dem Vorkompressionsraum und dem Gehäuseinnenraum auf.
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Die hydraulische Verbindung sorgt vorteilhaft für eine Leckage zwischen dem Vorkompressionsraum und dem Gehäuseinnenraum, was je nach Anwendungsfall der Axialkolbenmaschine gewünscht sein kann.
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Die hydraulische Verbindung zwischen dem Vorkompressionsraum und dem Gehäuseinnenraum ist in einer Weiterbildung eine Ausnehmung in der Kontaktfläche, insbesondere im Gehäuse.
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Durch die Ausnehmung, die beispielsweise als Kerbe im Gehäuse ausgeführt sein kann, kann in vorteilhafter Weise eine kontrollierte Leckage aus dem Vorkompressionsraum in das Gehäuseinnere abgeführt werden.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in der Anschlußplatte pro Vorkompressionsraum eine hydraulische Verbindung zu einer Verteilerplatte ausgebildet ist.
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Dadurch entfällt ein aufwändiger anderweitiger hydraulischer Anschluss des Vorkompressionsraums an den zuschaltbaren Zylinderraum.
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Ferner können durch den Einsatz von einer Anschlußplatte und einer Verteilerplatte die jeweiligen Werkstoffe bestmöglich für ihre Funktionen ausgewählt werden. Der Werkstoff der Verteilerplatte sollte dabei in erster Linie hinsichtlich der tribologischen Bedingungen des Zusammenwirkens von Kolbentrommel und Verteilerplatte ausgewählt werden. Der Werkstoff der Anschlussplatte sollte gut spanbar sein bei gleichzeitig hoher gewichtsbezogener Festigkeit.
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In einer Weiterbildung der Erfindung bildet der Vorkompressionsraum ein Vorkompressionsvolumen zur Reduzierung einer hydraulischen Pulsation der Axialkolbenmaschine.
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Die Reduzierung der hydraulischen Pulsation der Axialkolbenmaschine wirkt sich positiv auf die Geräuscheigenschaften aus, was für die Anwendung im mobilen Bereich, insbesondere für den Einsatz von Axialkolbenmaschinen in einem Kraftfahrzeug von Vorteil ist.
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Zeichnungen
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Es zeigen:
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1: eine Ausführung der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine;
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2: eine Ausführungsform eines Gehäuses der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine;
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt eine Axialkolbenmaschine 100 für den Pumpen- und/oder Motorbetrieb im Längsschnitt, wobei nur eine Hälfte gezeigt ist, mit einem Gehäuse 10, das mit einer Anschlussplatte 20 verschraubt ist. Im Gehäuse 10 und in der Anschlussplatte 20 ist eine rotierbare Triebwelle 40 gelagert. Auf der Triebwelle 40 ist eine im Wesentlichen zylinderförmige Kolbentrommel 30 so angeordnet, dass sie dieselben Rotationsbewegung ausführt wie die Triebwelle 40. Typischerweise erfolgt die Verbindung von Triebwelle 40 und Kolbentrommel 30 über eine nichtdargestellte Verzahnung.
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In der Kolbentrommel 30 sind mindestens eine, vorzugsweise jedoch sieben bis elf, Zylinderbohrungen 31 achsparallel ausgebildet. In jeder Zylinderbohrung 31 ist ein Arbeitskolben 32 längsverschiebbar angeordnet und begrenzt dadurch mit der Zylinderbohrung 31 einen volumenveränderbaren Zylinderraum 31. Dementsprechend gibt es ebenso viele Arbeitskolben 32 und Zylinderräume 31 wie Zylinderbohrungen 31.
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Im Gehäuse 10 ist eine Schwenkwiege 60 nicht rotierbar angeordnet. Die Schwenkwiege 60 ist durch eine in 2 dargestellte Lagerung (61) schwenkbar gelagert, so dass sie mit Hilfe mindestens einer, vorzugsweise jedoch zwei nicht dargestellten Verstellereinheiten gegenüber der Triebwelle 40 in einen Verstellwinkel α größer oder kleiner 90° gebracht werden kann. Beträgt der Verstellwinkel α genau 90°, dann befindet sich die Axialkolbenmaschine 100 im Leerlauf.
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Auf der Schwenkwiege 60 können Gleitschuhe 62 abgleiten, in denen die Arbeitskolben 32 durch ein Kugelgelenk gelagert sind; d.h. die Anzahl der Gleitschuhe 62 ist gleich der Anzahl der Arbeitskolben 32. Die Gleitschuhe 62 werden über eine nicht dargestellte Vorrichtung auf der Schwenkwiege 60 niedergehalten, so dass es zu einer ständigen Übertragung von Druckkräften zwischen Schwenkwiege 60 und Arbeitskolben 32 kommt.
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Zwischen der rotierbaren Kolbentrommel 30 und der Anschlussplatte 20 ist eine Verteilerplatte 70 angeordnet und fest mit der Anschlussplatte 20 verbunden, so dass die Kolbentrommel mit einer Stirnfläche auf der Verteilerplatte 70 rotiert bzw. auf einem dynamischen Schmierfilm, der im Betrieb zwischen den beiden Bauteilen ausgebildet wird. In der Verteilerplatte 70 ist eine Füllbohrung 75 ausgebildet, die hydraulisch mit einer in der Anschlußplatte 20 ausgebildeten hydraulischen Verbindung 22 verbunden ist, wobei die hydraulische Verbindung 22 in einen Vorkompressionsraum 50 mündet. Die hydraulische Verbindung 22 ist in der skizzierten Ausführung als Verbindungsbohrung, bzw. Durchgangsbohrung gestaltet und deshalb an einem Ende mit einem Stopfen 29 in der Anschlußplatte 20 abgedichtet. Weiterhin sind in anderen Ausführungsformen alternativ zu dem Stopfen 29 auch ein Überdruckventil oder die Anbindung eines zusätzlichen Volumens möglich. Die hydraulische Verbindung 22 kann alternativ und je nach geometrischer Ausführung des Vorkompressionsraumes 50 auch durch andere Fertigungsverfahren hergestellt werden, zum Beispiel Gießen.
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Der Vorkompressionsraum 50 ist durch Hohlräume 110, 120 im Gehäuse 10 und der Anschlußplatte 20 gebildet, wobei das Gehäuse 10 und die Anschlußplatte 20 eine Kontaktfläche 150 zueinander aufweisen. Die Hohlräume 110, 120 weiten sich jeweils zur Kontaktfläche 150 hin auf so dass die Kontaktfläche 150 am größten Umfang der Hohlräume 110, 120 gebildet ist. Diese Ausgestaltung sorgt dafür, dass bei einem Gussverfahren auf Sandkerne verzichtet werden kann. Die Geometrie der Vorkompressionsräume 50 ergibt sich aus der Gehäuse- und der Anschlussplattenform.
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Zwischen den Hohlräumen 110, 120 ist an der Kontaktfläche 150 eine Dichtung 160 angeordnet.
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Die Anzahl und die Größe der Vorkompressionsräume 50 sind abhängig von der jeweiligen Anwendung und vom zur Verfügung stehenden Bauraum im Gehäuse 10 und in der Anschlußplatte 20.
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In der Verteilerplatte 70 sind weiterhin mindestens eine Niederdruckniere 71 und mindestens eine Hochdruckniere 72 ausgebildet. Diese sind mit einer Saugniere 81 bzw. mit einer Druckniere 82 verbunden, die beide in der Anschlussplatte 20 ausgebildet sind. Die Saugniere 81 mündet in eine nicht dargestellte Niederdruckbohrung und die Druckniere 82 in eine nicht dargestellte Hochdruckbohrung, die ebenfalls beide in der Anschlussplatte 20 ausgebildet sind. An dem der Verteilerplatte 70 gegenüberliegendem Ende weist die Anschlußplatte 20 einen nicht dargestellten Niederdruckanschluss und einen nicht dargestellten Hochdruckanschluss auf. Der Niederdruckanschluss verbindet die Niederdruckbohrung mit einem nicht dargestellten Niederdruckspeicher und der Hochdruckanschluss verbindet die Hochdruckbohrung mit einem nicht dargestellten Hochdruckspeicher.
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Somit werden in Abhängigkeit der Drehwinkelstellung der Triebwelle 40 verschiedene hydraulische Verbindungen eines Zylinderraums 31 angesteuert:
- – In einer ersten Drehwinkelstellung der Triebwelle 40 ist eine erste hydraulische Verbindung vom Zylinderraum 31 über die Füllbohrung 75, und die Verbindungsbohrung 22 in den Vorkompressionsraum 50 geöffnet, insbesondere dem Niederdruck-Vorkompressionsraum.
- – Anschließend ist in einer zweiten Drehwinkelstellung der Triebwelle 40 eine zweite hydraulische Verbindung vom Zylinderraum 31 über die mindestens eine Niederdruckniere 71 zur Niederdruckbohrung und damit zum Niederdruckspeicher geöffnet, wobei gleichzeitig die erste hydraulische Verbindung zum Niederdruck-Vorkompressionsraum besteht.
- – Anschließend ist in einer dritten Drehwinkelstellung der Triebwelle 40 die zweite hydraulische Verbindung alleine geöffnet.
- – Bevor der Zylinderraum 31 eine hydraulische Verbindung mit der Hochdruckniere 72 herstellt, ist in einer vierten Drehwinkelstellung der Triebwelle 40 eine dritte hydraulische Verbindung vom Zylinderraum 31 über die Füllbohrung 75, und die Verbindungsbohrung 22 in den Vorkompressionsraum 50, insbesondere den Hochdruck-Vorkompressionsraum geöffnet.
- – Anschließend ist in einer fünften Drehwinkelstellung der Triebwelle 40 eine vierte hydraulische Verbindung vom Zylinderraum 31 über die mindestens eine Hochdruckniere 72 zur Hochdruckbohrung und damit zum Hochdruckspeicher geöffnet, wobei gleichzeitig die dritte hydraulische Verbindung zum Hochdruck-Vorkompressionsraum besteht.
- – Anschließend ist in einer sechsten Drehwinkelstellung der Triebwelle 40 die vierte hydraulische Verbindung vom Zylinderraum 31 über die mindestens eine Hochdruckniere 72 zur Hochdruckbohrung und damit zum Hochdruckspeicher alleine geöffnet.
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Im Betrieb wird Arbeitsfluid von den Arbeitskolben 32, die auf dem Weg von einer oberen zu einer unteren Totpunktstellung und mit dem Niederdruckspeicher verbunden sind, über die zweite hydraulische Verbindung angesaugt und anschließend mittels der rotierenden Kolbentrommel 40 von der unteren in die obere Totpunktstellung bewegt und dabei im sich verkleinernden Zylinderraum 31 verdichtet, indem die Gleitschuhe 62 auf einer Kreisbahn der Schwenkwiege 60 abgleiten und dabei die Arbeitskolben 32 auf ihrem Weg vom unteren zum oberen Totpunkt in die Zylinderbohrungen 31 drücken und die Zylinderräume 31 dadurch verkleinern. In diesem Bereich werden die Zylinderräume 31 mit dem Hochdruckspeicher über die dritte hydraulische Verbindung verbunden, und so das Arbeitsfluid dem Hochdruckspeicher zugeführt.
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Die kritische Drehwinkelstellung ist folgende:
Wenn ein Zylinderraum 31, der unter Niederdruck steht, aufgrund der Rotation der Kolbentrommel 30 beginnt über die Hochdruckniere 72 zu laufen und so mit dem Hochdruckspeicher verbunden wird, kommt es zu einer „schlagartigen“, nahezu ungedrosselten Befüllung des Zylinderraums 31 mit unter Hochdruck stehendem Fluid. Dieser Übergang ist sowohl festigkeits- als auch geräuschkritisch.
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Diese kritische Drehwinkelstellung wird durch den Einsatz eines Vorkompressionsvolumens im Vorkompressionsraum 50 entschärft:
Beim Übergang vom Niederdruck- in den Hochdruckbereich wird ein Vorkompressionsraum 50 hydraulisch so angeschlossen, dass es mit dem Zylinderraum 31 über die erste hydraulische Verbindung verbunden wird, sobald der Zylinderraum 31 gerade nicht mehr über die zweite hydraulische Verbindung mit dem Niederdruckspeicher verbunden ist; andernfalls käme es zu einem „Kurzschluss“ zwischen Niederdruckspeicher und Vorkompressionsraum 50. In dieser Stellung ist die dritte hydraulische Verbindung noch geschlossen. Durch die Drosselfunktion innerhalb der ersten hydraulischen Verbindung wird der Zylinderraum 31 vergleichsweise langsam unter Hochdruck gesetzt. Bei weiterer Drehbewegung der Kolbentrommel 30 wird die dritte hydraulische Verbindung zwischen Zylinderraum 31 und Hochdruckspeicher geöffnet; Arbeitsfluid wird aufgrund des sich verkleinernden Zylinderraums 31 in den Hochdruckspeicher gedrückt. Gleichzeitig ist die erste hydraulische Verbindung noch geöffnet, so dass der gegenüber dem Hochdruckspeicher entspannte Vorkompressionsraum 50 wieder befüllt wird.
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Die Anordnung des mindestens einen Vorkompressionsraumes 50 zwischen dem Gehäuse 10 und der Anschlußplatte 20 hat gegenüber einer Anordnung außerhalb des Gehäuses 10 beispielsweise eine bauraumsparende Anordnung und das NVH (Noise Vibration Harshness) Verhalten und die Schallabstrahlung werden verbessert.
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2 zeigt ein Gehäuse 10 der Axialkolbenmaschine 100 in einer Draufsicht auf die Kontaktfläche 150, bzw. Dichtung 160. Im Gehäuse 10 ist die Lagerung 61 für die Schwenkwiege 60 eingebracht.
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Der Hohlraum 110 des Vorkompressionsraumes 50 ist in der Außenwand des Gehäuses 10 angeordnet und in diesem Ausführungsbeispiel mit einer Ausnehmung 115, die als Kerbe 115 ausgebildet ist, mit den Gehäuseinnenraum 15 hydraulisch verbunden. Die Kerbe 115 ist an einem Steg zwischen dem Hohlraum 110 und dem Gehäuseinnenraum 15 ausgebildet, wobei der Steg die engste Stelle zwischen dem Hohlraum 110 und dem Gehäuseinnenraum 15 bildet
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Die Kerbe sorgt für eine kontrollierte Leckage zwischen dem Vorkompressionsraum 50 und dem Gehäuseinneren 15.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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