DE102014225497A1

DE102014225497A1 - Hydrostatistische Axialkolbenmaschine

Info

Publication number: DE102014225497A1
Application number: DE102014225497.3A
Authority: DE
Inventors: Rene Scheerer; Heiko Erlenkeuser
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2014-12-11
Publication date: 2015-06-25

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine hydrostatische Axialkolbenmaschine mit einem Gehäuse, das ein topfartiges Gehäuseteil aufweist, dessen Topföffnung von einem Gehäusedeckel verschlossen ist. Mit einer im Gehäuseinneren angeordneten Zylindertrommel mit Zylinderbohrungen und darin axial verschieblich angeordneten Arbeitskolben. Mit einer am Gehäuse drehbar gelagerten, in den Gehäuseinnenraum ragenden Triebwelle‘, auf der koaxial die Zylindertrommel an ihrem dem Gehäusedeckel entfernteren Endbereich drehfest angeordnet ist und die eine Koaxialausnehmung der Zylindertrommel durchragt. Mit einer Schwenkwiege, die schwenkbar am Gehäuse gelagert ist und eine Gleitfläche aufweist, an der die Arbeitskolben mit ihren aus den Zylinderbohrungen herausragenden Enden abgestützt sind. Mit einer Steuerscheibe, an der die Zylindertrommel mit ihrer der Schwenkwiege abgewandten Seite in Anlage ist, wobei die Steuerscheibe mehrere Durchgangsausnehmungen aufweist, über die bei Drehung der Zylindertrommel die Zylinderbohrungen alternierend mit einem im Gehäusedeckel ausgebildeten Niederdruckkanal und einem Hochdruckkanal verbindbar sind. In einem zwischen der Triebwelle und der Koaxialausnehmung der Zylindertrommel gebildeten Ringraum sind ein oder mehrere radial umlaufende und radial elastische Federelemente‘ angeordnet sind, die mit radialer Vorspannung und radial geführt an der Triebwelle und der Wand der Koaxialausnehmung in Anlage sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine hydrostatische Axialkolbenmaschine mit einem Gehäuse, das ein topfartiges Gehäuseteil aufweist, dessen Topföffnung von einem Gehäusedeckel verschlossen ist, mit einer im Gehäuseinneren angeordneten Zylindertrommel mit Zylinderbohrungen und darin axial verschieblich angeordneten Arbeitskolben, mit einer am Gehäuse drehbar gelagerten, in den Gehäuseinnenraum ragenden Triebwelle, auf der koaxial die Zylindertrommel an ihrem dem Gehäusedeckel entfernteren Endbereich drehfest angeordnet ist und die eine Koaxialausnehmung der Zylindertrommel durchragt, mit einer Schwenkwiege, die schwenkbar am Gehäuse gelagert ist und eine Gleitfläche aufweist, an der die Arbeitskolben mit ihren aus den Zylinderbohrungen herausragenden Enden abgestützt sind, mit einer Steuerscheibe, an der die Zylindertrommel mit ihrer der Schwenkwiege abgewandten Seite in Anlage ist, wobei die Steuerscheibe mehrere Durchgangsausnehmungen aufweist, über die bei Drehung der Zylindertrommel die Zylinderbohrungen alternierend mit einem im Gehäusedeckel ausgebildeten Niederdruckkanal und einem Hochdruckkanal verbindbar sind.
Derartige bekannte hydrostatische Axialkolbenmaschinen in Schrägscheibenbauart sind in ihrer Drehzahl und Betriebsart (Pumpe oder Motor) durch die Fähigkeit Fluid in die Zylinderräume zu füllen sowie durch die Einwirkung des Triebwerks auf die Steuerscheibe begrenzt. Ein begrenzender Faktor ist dabei die Reibkraft, die zwischen Zylindertrommel und Steuerscheibe in tangentialer Richtung entgegen deren Relativbewegung wirkt. Diese Reibkraft sorgt dafür, dass die Zylindertrommel bei Änderung des Kräftegleichgewichts seitlich verschoben wird. Aufgrund der radialen Führung der Zylindertrommel an der Verbindung Triebwelle/Zylindertrommel, die an der Zylindertrommel an ihrem der Steuerscheibe entfernteren Endbereich liegt, kommt es zu einem seitlichen Ausscheren und zu einer Kippung der Zylindertrommel und damit zu einer Vergrößerung des Spalts zwischen der Zylindertrommel und der Steuerscheibe. Dies führt zu einer sprungartigen Erhöhung der Leckage durch diesen Spalt.
Zur Reduzierung dieser Spaltbildung ist es bekannt, die Zylindertrommel durch Tellerfedern gegen die Steuerscheibe zu beaufschlagen, was zu einer erhöhten Reibkraft zwischen diesen Teilen und damit einem erhöhten Verschleiß führt.
Weiterhin ist es dazu bekannt, die Zylindertrommel an ihrem Außenumfang mittels einer Lagerung zu lagern, was zu hohen Drehgeschwindigkeiten am Zylinderaußendurchmesser und damit zu einer hohen Belastung der Lagerung sowie zu einer Vergrößerung der Baugröße führt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher eine hydrostatische Axialkolbenmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei einfachem Aufbau und geringer Baugröße zu einer geringen Leckage zwischen der Zylindertrommel und der Steuerscheibe führt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in einem zwischen der Triebwelle und der Koaxialausnehmung der Zylindertrommel gebildeten Ringraum ein oder mehrere radial umlaufende und radial elastische Federelemente angeordnet sind, die mit radialer Vorspannung und radial geführt an der Triebwelle und der Wand der Koaxialausnehmung in Anlage sind.
Bei dieser wirkt die radiale Abstützung durch die Federelemente direkt entgegen den Reibkräften, so dass eine Kippung der Zylindertrommel und damit ein erhöhter Verschleiß an Steuerscheibe und/oder Zylindertrommel zumindest weitgehend vermieden werden.
Dies auch deshalb, weil keine erhöhte Anpress kraft der Zylindertrommel an die Steuerscheibe erforderlich ist, da deren Kraftwirkrichtung direkt senkrecht zur Steuerscheibe gerichtet ist.
Ist das Federelement radial innen mit der Welle und radial außen mit der Zylindertrommel fest verbunden und beaufschlagt die Zylindertrommel mit einer axial zur Steuerscheibe gerichteten Kraftkomponente, so kann eine Federkraftbeaufschlagung der Zylindertrommel axial zur Steuerscheibe gering ausgelegt oder völlig verzichtbar sein, was zu einer Bauraumverringerung führt.
Dies wird auch erreicht, wenn das Federelement auf seiner der Steuerscheibe abgewandten Seite an der Triebwelle und auf seiner der Steuerscheibe zugewandten Seite an der Zylindertrommel axial abgestützt ist.
Da die Federelemente innerhalb der Zylindertrommel angeordnet sind, ist kein zusätzlicher Bauraum erforderlich.
Auch kann im Pumpenbetrieb die Einsatzgrenze der Drehzahl der Zylindertrommel erhöht werden.
Sind das oder die Federelemente in dem der Steuerscheibe nahen Endbereich der Koaxialausnehmung angeordnet, so wird ein Kippen der Zylindertrommel besonders gut vermieden.
Zur stabilen axialen Positionierung können die Federelemente zusätzlich axial geführt im Ringraum angeordnet sein.
Zur stabilen Anordnung des Federelements an der Triebwelle und oder an der Zylindertrommel kann das Federelement einen die Triebwelle umschließenden Innenring und/oder einen an der Wand der Koaxialausnehmung anliegenden Außenring aufweisen, zwischen denen ein oder mehrere radial federnde Federteile angeordnet sind.
Die Federelemente oder Federteile können sich zwischen der Mantelfläche der Triebwelle und der Wand der Koaxialausnehmung erstreckende Federarme sein und zur radialen Kraftwirkung Biegefederarme sein, deren beide Enden in Umfangsrichtung zueinander versetzt sind.
Dabei erhalten die Biegearme eine stabile Positionierung, wenn die Federarme und der Innenring und/oder der Außenring einteilig ausgebildet sind.
Zur Anlage an der Triebwelle und/oder an der Wand der Koaxialausnehmung mit Vorspannung können auf einfache Weise der Innenring und/oder der Außenring in radial umlaufender Richtung ganz oder teilweise elastisch sein.
Dazu können der Innenring und/oder der Außenring aus formstabilen Ringsegmenten bestehen, zwischen deren in Umfangsrichtung gerichteten Enden Trennstellen gebildet sind, die durch in Umfangsrichtung elastische Zonen überbrückt sind.
Eine besonders einfach aufgebaute Ausbildung dazu besteht darin, dass die elastischen Zonen durch radial nach innen gerichtete U-artige Federarme gebildet sind, von denen jeder Schenkel des „U“ an seinem freien Ende mit einem in Umlaufrichtung gerichteten Ende eines Ringsegments verbunden ist.
Dies ermöglicht eine bauteilsparende Ausbildung von Innenring, Außenring und Federarmen als ein Bauteil, insbesondere als ein Stanzteil.
In einer weiteren Ausbildung können die Federelemente oder Federteile sich radial zwischen der Mantelfläche der Triebwelle und der Wand der Koaxialausnehmung erstreckende Druckfedern sein.
Es ist aber auch möglich, dass das oder die Federelemente oder das oder die Federteile Elastomerfederteile sind. Dabei kann der Ringraum zwischen Triebwelle und Koaxialausnehmung der Zylindertrommel oder der Ringraum zwischen einem Innenring und einem Außenring vollständig über seine radiale Tiefe ausgefüllt oder durch Aussparungen in seiner Federeigenschafft angepasst sein.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen
1 eine hydrostatische Axialkolbenmaschine im Längsschnitt,
2 einen vergrößerten Ausschnitt „X“ der Axialkolbenmaschine nach 1 mit modifizierter Triebwelle,
3 eine Ansicht eines Federelements der Axialkolbenmaschine nach 1,
4 eine Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Federelements für eine Axialkolbenmaschine und
5 eine Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines Federelements für eine Axialkolbenmaschine.
Die dargestellte Axialkolbenmaschine 1 ist in Schrägscheibenbauweise ausgeführt und hat ein Gehäuse 2 mit einem topfartig ausgebildeten Gehäuseteil 4, das von einem Gehäusedeckel 6 verschlossen ist. Im Gehäuse 2 ist ein Triebwerk 8 angeordnet, das eine Zylindertrommel 10 mit Zylinderbohrungen 12 und darin axial verschieblich angeordneten Arbeitskolben 14 aufweist. Drehfest mit der Zylindertrommel 10 ist eine Triebwelle 16 verbunden, deren Wellenstumpf aus dem Gehäuseteil 4 hinausragt. Die Triebwelle 16 ist einerseits in der Nähe des Wellenstumpfes im Gehäuseteil 4 und andererseits im Gehäusedeckel 6 über jeweils ein als Kegelrollenlager ausgebildetes Wälzlager 18 bzw. 20 drehbar gelagert. Die Wälzlager 18, 20 sind gegeneinander angestellt, so dass die Triebwelle 16 auch in axialer Richtung festgelegt ist.
Über die Arbeitskolben 14 und die Zylinderbohrungen 12 sind in der Zylindertrommel 10 hydrostatische Arbeitsräume 22 begrenzt, die bei drehender Triebwelle 16 alternierend mit einem Hochdruckkanal 24 und einem Niederdruckkanal 26 fluidisch verbindbar sind. Die alternierende Druckmittelverbindung erfolgt dabei über eine zwischen der Zylindertrommel 10 und dem Gehäusedeckel 6 angeordnete Steuerscheibe 28, die von mehreren nierenförmigen Durchgangsausnehmungen 30 durchsetzt ist.
Die Arbeitskolben 14 weisen jeweils einen Kolbenkopf 32 auf, der formschlüssig in einem Kolbenschuh 34 aufgenommen ist. Dieser ist an einer Gleitfläche 36 einer Schwenkwiege 38 gleitend gelagert bzw. abgestützt. Die Schwenkwiege 38 ist über gehäusefeste Lagerschalen eines Gleitlagers 40 verschwenkbar im Gehäuseteil 4 gelagert. Eine Verschwenkung der Schwenkwiege 38 in einer Schwenkebene, die sich durch eine Längsachse 42 der Triebwelle 16 und senkrecht zur Betrachterebene der 1 erstreckt, kann über eine nicht dargestellte Verstelleinrichtung erfolgen. Diese weist wenigstens ein Betätigungselement, beispielsweise einen hydraulischen Stellzylinder auf und lenkt die Schwenkwiege 38 zu einer Schwenkachse beabstandet an.
Die Triebwelle 16 ist über einen Teilbereich als Keilwelle 5 ausgebildet. Die Zylindertrommel 10 weist eine durchgehende Koaxialbohrung 3 auf, deren der Steuerscheibe 28 entfernter Endbereich mit einem Keilprofil versehen ist und axial verschiebbar auf der Keilwelle 5 sitzt.
Außerhalb des Keilprofils weist die Koaxialbohrung 3 einen gegenüber dem Durchmesser der Triebwelle 16 größeren Durchmesser auf, so dass zwischen der Mantelfläche der Triebwelle 16 und der Wandung der Koaxialbohrung 3 ein Ringraum 7 gebildet ist.
Am steuerscheibenseitigen Ende der Keilwelle 5 ist ein die Triebwelle 16 umschließender erster Abstützring 9 angeordnet, an dem sich eine im Ringraum 7 angeordnete, die Triebwelle 16 umschließende Schraubendruckfeder 11 mit ihrem einen Ende abstützt, die sich zur Steuerscheibe 28 hin erstreckt.
Mit ihrem steuerscheibenseitigen Ende stützt sich die Schraubendruckfeder 11 an einem zweiten Abstützring 13 ab, der axial verschiebbar in der Koaxialbohrung 3 geführt ist. Der zweite Abstützring 13 stützt sich axial an einem Außenring 15 eines ringförmigen Federelements 17 ab, welches sich wiederum axial an einem an der Wandung der Koaxialbohrung 3 fest angeordneten Sicherungsring 19 abstützt.
Das ringförmige Federelement 17 weist weiterhin einen auf der Triebwelle 16 angeordneten Innenring 21 auf, wobei zwischen Außenring 15 und Innenring 21 am Umfang gleichmäßig verteilt sich mehrere Biegefederarme 23 erstrecken, deren mit dem Innenring 21 und dem Außenring 15 verbundene Enden jeweils in Umfangsrichtung zueinander versetzt sind.
Die Biegefederarme 23 sind unter Biegevorspannung, so dass sich auch die Zylindertrommel 10 durch das Federelement 17 unter radialer Vorspannung gegenüber der Triebwelle 16 befindet und konzentrisch zur Triebwelle 16 gehalten wird. Der in 2 dargestellte Bereich um das Federelement 17 und das Federelement 17 entsprechen weitgehend dem Ausschnitt „X“ der Ausführung in 1. Der einzige Unterschied besteht darin, dass der Innenring 21 auf seiner der Steuerscheibe 28 abgewandten Seite axial an einer ringförmigen Abstützschulter 25 der Triebwelle 16‘ in Anlage ist.
Das Federelement 17 der 1 und 2 ist in 3 dargestellt und kann wirtschaftlich herstellbar als Spritzgussteil aus Kunststoff ausgebildet sein.
Die 4 und 5 zeigen weitere Ausführungsbeispiele von Federelementen 17‘ und 17‘‘, die als Stanzteile aus einem Federstahlblech ausgebildet sind.
Beide Federelemente 17‘ und 17‘‘ besitzen einen geschlossenen Innenring 21 und einen Außenring 15 bzw. 15‘.
Während der Außenring 15 in 4 ebenfalls geschlossen ist, besteht der Außenring 15‘ der 5 aus einer Mehrzahl von Ringsegmenten 27, die an ihren in Umfangsrichtung gegenüberliegenden und beabstandeten Enden über elastische Zonen 29 miteinander verbunden sind.
Diese elastischen Zonen 29 sind durch radial nach innen gerichtete U-artige Federarme 31 gebildet, von denen jeder Schenkel 33 des „U“ an seinem freien Ende mit einem in Umlaufrichtung gerichteten Ende eines Ringsegments 27 verbunden ist.
Bezugszeichenliste

1: Axialkolbenmaschine
2: Gehäuse
3: Koaxialbohrung
4: Gehäuseteil
5: Keilwelle
6: Gehäusedeckel
7: Ringraum
8: Triebwerk
9: erster Abstützring
10: Zylindertrommel
11: Schraubendruckfeder
12: Zylinderbohrungen
13: zweiter Abstützring
14: Arbeitskolben
15: Außenring
15‘: Außenring
16: Triebwelle
16‘: Triebwelle
17: Federelement
17‘: Federelement
17‘‘: Federelement
18: Wälzlager
19: Sicherungsring
20: Wälzlager
21: Innenring
22: Arbeitsräume
23: Biegefederarme
24: Hochdruckkanal
25: Abstützschulter
26: Niederdruckkanal
27: Ringsegmente
28: Steuerscheibe
29: elastische Zonen
30: Durchgangsausnehmungen
31: Federarme
32: Kolbenkopf
33: Schenkel
34: Kolbenschuh
36: Gleitfläche
38: Schwenkwiege
40: Gleitlager
42: Längsachse

Claims

Hydrostatische Axialkolbenmaschine mit einem Gehäuse (2), das ein topfartiges Gehäuseteil (4) aufweist, dessen Topföffnung von einem Gehäusedeckel (6) verschlossen ist, mit einer im Gehäuseinneren angeordneten Zylindertrommel (10) mit Zylinderbohrungen (12) und darin axial verschieblich angeordneten Arbeitskolben (14), mit einer am Gehäuse (2) drehbar gelagerten, in den Gehäuseinnenraum ragenden Triebwelle (16, 16‘), auf der koaxial die Zylindertrommel (10) an ihrem dem Gehäusedeckel (6) entfernteren Endbereich drehfest angeordnet ist und die eine Koaxialausnehmung (3) der Zylindertrommel (10) durchragt, mit einer Schwenkwiege (38), die schwenkbar am Gehäuse (2) gelagert ist und eine Gleitfläche (36) aufweist, an der die Arbeitskolben (14) mit ihren aus den Zylinderbohrungen (12) herausragenden Enden abgestützt sind, mit einer Steuerscheibe (28), an der die Zylindertrommel (10) mit ihrer der Schwenkwiege (38) abgewandten Seite in Anlage ist, wobei die Steuerscheibe (28) mehrere Durchgangsausnehmungen (30) aufweist, über die bei Drehung der Zylindertrommel (10) die Zylinderbohrungen (12) alternierend mit einem im Gehäusedeckel (6) ausgebildeten Niederdruckkanal (26) und einem Hochdruckkanal (24) verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zwischen der Triebwelle (16, 16‘) und der Koaxialausnehmung (3) der Zylindertrommel (10) gebildeten Ringraum (7) ein oder mehrere radial umlaufende und radial elastische Federelemente (17, 17‘, 17‘‘) angeordnet sind, die mit radialer Vorspannung und radial geführt an der Triebwelle (16, 16‘) und der Wand der Koaxialausnehmung (3) in Anlage sind.
Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Federelemente (17, 17‘, 17‘‘) in dem der Steuerscheibe (28) nahen Endbereich der Koaxialausnehmung (3) angeordnet sind.
Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente zusätzlich axial geführt im Ringraum angeordnet sind.
Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (17, 17‘, 17‘‘) einen die Triebwelle (16, 16‘) umschließenden Innenring (21) und/oder einen an der Wand der Koaxialausnehmung (3) anliegenden Außenring (15, 15‘) aufweist, zwischen denen ein oder mehrere radial federnde Federteile angeordnet sind.
Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (17, 17‘, 17‘‘) oder Federteile sich zwischen der Mantelfläche der Triebwelle (16, 16‘) und der Wand der Koaxialausnehmung (3) erstreckende Federarme aufweisen.
Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Federarme Biegefederarme (23) sind, deren beide Enden in Umfangsrichtung zueinander versetzt sind.
Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Federarme und der Innenring (21) und/oder der Außenring (15, 15‘) einteilig ausgebildet sind.
Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring und/oder der Außenring (15‘) in radial umlaufender Richtung ganz oder teilweise elastisch ist.
Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring und/oder der Außenring (15‘) aus formstabilen Ringsegmenten (27) besteht, zwischen deren in Umfangsrichtung gerichteten Enden Trennstellen gebildet sind, die durch in Umfangsrichtung elastische Zonen (29) überbrückt sind.
Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elastischen Zonen (29) durch radial nach innen gerichtete U-artige Federarme (31) gebildet sind, von denen jeder Schenkel (33) des „U“ an seinem freien Ende mit einem in Umlaufrichtung gerichteten Ende eines Ringsegments (27) verbunden ist.
Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente oder Federteile sich radial zwischen der Mantelfläche der Triebwelle und der Wand der Koaxialausnehmung erstreckende Druckfedern sind.
Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Federelemente oder das oder die Federteile Elastomerfederteile sind.