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Die Erfindung betrifft eine hydrostatische Radialkolbenmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Bei bekannten hydrostatischen Radialkolbenmaschinen, insbesondere bei mehrhubigen Radialkolbenmaschinen mit verstellbarem Verdrängungsvolumen, weisen übliche hydraulische Lösungen zum Verstellen des Verdrängungsvolumens eine geringe Dynamik auf. Bekannte mechanische Lösungen bedeuten teilweise einen erheblichen Aufwand und sind überwiegend wenig energieeffizient.
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In der
DE 10 2004 049 864 A1 ist eine hydrostatische Verdrängermaschine offenbart, bei der zur Verstellung des Verdrängungsvolumens zwei Nockenbahnen gegeneinander verdreht werden, die eine Betätigung von zugeordneten Kolben in Radialbohrungen steuern. Die Art und Weise der erforderlichen präzisen Verdrehung ist dort nicht offenbart, erfordert aber üblicherweise einen hohen Konstruktions- und/oder Herstellungsaufwand, beispielsweise über gesteuerte Drehantriebe.
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Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine hydrostatische Radialkolbenmaschine zu schaffen, bei der eine Verstellung des Verdrängungsvolumens auf einfache und energieeffiziente Art und Weise realisierbar ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine hydrostatische Radialkolbenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen hydrostatischen Radialkolbenmaschine sind in den weiteren Unteransprüchen beschrieben.
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Eine hydrostatische Radialkolbenmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung enthält eine erste Gruppe, die mehrere radial angeordnete erste Zylinder enthält, mit denen jeweils erste Kolben erste Arbeitsräume begrenzen. Weiter enthält die erfindungsgemäße hydrostatische Radialkolbenmaschine eine, insbesondere axial von der ersten Gruppe beabstandete, zweiten Gruppe, die mehrere radial angeordnete zweite Zylinder enthält, mit denen jeweils zweite Kolben zweite Arbeitsräume begrenzen. Insbesondere enthält die zweite Gruppe gleich viele Zylinder wie die erste Gruppe. Weiter sind die ersten Arbeitsräume mit jeweils zu diesen axial benachbart angeordneten zweiten Arbeitsräumen zu jeweils einem Arbeitsraumpaar fluidisch verbunden. Die erfindungsgemäße hydrostatische Radialkolbenmaschine enthält weiter ein der ersten Gruppe zugeordnetes erstes Nockenprofil für eine Hubbewegung der ersten Kolben und ein der zweiten Gruppe zugeordnetes zweites Nockenprofil für eine Hubbewegung der zweiten Kolben, wobei die Hubbewegung der ersten Kolben bezüglich der Hubbewegung der zweiten Kolben phasenverschiebbar ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das erste Nockenprofil und/oder die erste Gruppe für eine erste Phasenverschiebung der Hubbewegung der ersten Kolben bezüglich der Hubbewegung der zweiten Kolben in Bezug auf einander axial verschiebbar sind.
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Durch die axiale Verschiebbarkeit des ersten Nockenprofils und/oder der ersten Gruppe in Bezug auf einander ist bei der erfindungsgemäßen hydrostatischen Radialkolbenmaschine eine einfache Verstellbarkeit mit hoher Dynamik erreichbar, da die an der Verstellung beteiligten Bauelemente mit einer reduzierten Massenträgheit ausführbar sind und auf einfache Weise verschiebbar sind.
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Vorteilhafterweise ist das zweite Nockenprofil und/oder die zweite Gruppe für eine zweite Phasenverschiebung der Hubbewegung der zweiten Kolben bezüglich der Hubbewegung der ersten Kolben in Bezug auf einander axial verschiebbar. Dadurch, dass alternativ oder zusätzlich zu dem ersten Nockenprofil und/oder der ersten Gruppe das zweite Nockenprofil und/oder die zweite Gruppe in Bezug auf einander axial verschiebbar sind, ist eine größere Flexibilität bei der Verstellbarkeit erzielbar.
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Vorteilhafterweise weisen die Nockenprofile eine wellenförmige, insbesondere sinusförmige, Oberfläche auf, deren Ausbreitungsrichtung bei mindestens einem der Nockenprofile unter einem von 90° abweichenden Schrägstellwinkel zu einer axialen Richtung verläuft, und insbesondere spiralförmig, oder progressiv spiralförmig, verdrillt ist. Unter Ausbreitungsrichtung ist eine Richtung zu verstehen, in die sich eine Welle, die eine Wellenform wie die beschriebene Oberfläche aufweist, ausbreiten würde. Die beschriebene Schrägstellung der Nockenprofile, insbesondere ihrer wellenförmigen Oberfläche, in Bezug auf die axiale Richtung ermöglicht je nach axialer Verschiebung eine Differenz bei einer Hubbewegung der Kolben in einem Arbeitsraumpaar, so dass diese eine Phasenverschiebung aufweisen, die eine Veränderung des Verdrängungsvolumens bewirkt und somit eine Verstellung des Verdrängungsvolumens über die axiale Verschiebung der Nockenprofile und/oder der jeweils zugeordneten Gruppe ermöglicht. Eine vollständige Phase entspricht einer Periodendauer von α = 360°.
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Vorteilhafterweise ist die erste Phasenverschiebung gegengleich zu der zweiten Phasenverschiebung, was als symmetrische Phasenverschiebung bezeichnet werden kann. Dabei kann beispielsweise die erste Phasenverschiebung –10° betragen und die zweite Phasenverschiebung +10° betragen. Eine symmetrische Phasenverschiebung ist mit konstruktiv einfachen weil symmetrisch aufgebauten Bauelementen erreichbar.
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Alternativ dazu kann die erste Phasenverschiebung ungleich der zweiten Phasenverschiebung sein, was als asymmetrische Phasenverschiebung bezeichnet werden kann. Dabei kann beispielsweise die erste Phasenverschiebung –15° betragen und die zweite Phasenverschiebung +5° betragen. Obwohl eventuell die Bauelemente, mit denen eine asymmetrische Phasenverschiebung erreichbar ist, etwas aufwändiger in der Konstruktion und/oder Herstellung sein können, ist damit eine insbesondere lineare Kennlinie für die erfindungsgemäße hydrostatische Radialkolbenmaschine erzielbar. Das heißt, dass die axiale Verschiebung der für die Verstellung verantwortlichen Bauelemente eine Phasenverschiebung ergibt, die direkt proportional von der axialen Verschiebung abhängt. Dabei kann die zweite Phasenverschiebung gleich Null sein, insbesondere derart realisiert, dass eine axiale Verschiebung des zweiten Nockenprofils keine Phasenverschiebung bewirkt. Beispielsweise dadurch, dass die Ausbreitungsrichtung der wellenförmigen Oberfläche bei dem zweiten Nockenprofil einem Schrägstellwinkel von 90° zu der axialen Richtung entspricht.
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Bei symmetrischer wie bei asymmetrischer Phasenverschiebung gilt für die Gesamtphasenverschiebung, dass sie gleich einem von der ersten Phasenverschiebung und der zweiten Phasenverschiebung eingeschlossenen Winkel ist. Beträgt bei einer symmetrischen Phasenverschiebung beispielsweise die erste Phasenverschiebung –15° und die zweite Phasenverschiebung +15°, ergibt das für die Gesamtphasenverschiebung einen eingeschlossenen Winkel von 30°. Beträgt bei einer asymmetrischen Phasenverschiebung beispielsweise die erste Phasenverschiebung –10° und die zweite Phasenverschiebung +20°, ergibt das für die Gesamtphasenverschiebung einen eingeschlossenen Winkel von 30°.
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Vorteilhafterweise sind die Gruppen an einem Stator der hydrostatischen Radialkolbenmaschine angeordnet sind und die Nockenprofile drehfest, oder drehfest und axial verschiebbar, an einem Rotor der Radialkolbenmaschine angeordnet sind.
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Vorteilhafterweise sind die Gruppen drehfest, oder drehfest und axial verschiebbar, an einem Rotor der hydrostatischen Radialkolbenmaschine angeordnet sind und die Nockenprofile an einem Stator der Radialkolbenmaschine angeordnet.
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Vorteilhafterweise ist der Rotor axial verschiebbar oder mit einer axial verschiebbaren Schiebemuffe ausgebildet.
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Vorteilhafterweise sind die Nockenprofile an der Schiebemuffe drehfest angeordnet.
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Vorteilhafterweise ist der Rotor und/oder der Stator für die erste Phasenverschiebung und/oder die zweite Phasenverschiebung in Bezug auf einander axial verschiebbar.
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Die vorgenannten Varianten ergeben eine erhöhte Flexibilität bei der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen hydrostatischen Radialkolbenmaschine.
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Vorteilhafterweise sind die Arbeitsraumpaare über Rückschlagventile oder über Durchgangsöffnungen einer Steuerscheibe mit einer Hochdruckseite oder einer Niederdruckseite verbindbar. Soll die erfindungsgemäße hydrostatische Radialkolbenmaschine lediglich in einem Ein-Quadrantenbetrieb betrieben werden, bietet die Steuerung über Rückschlagventile eine kostengünstige und konstruktiv einfache Lösung. Soll die erfindungsgemäße hydrostatische Radialkolbenmaschine in einem Vier-Quadrantenbetrieb betrieben werden, bietet die Steuerung über die Steuerscheibe mit entsprechend ausgebildeten Durchgangsöffnungen eine effiziente Steuerung der erfindungsgemäßen Radialkolbenmaschine.
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Vorteilhafterweise ist die Steuerscheibe über eine axiale Verschiebung einer drehfest und axial verschiebbar mit dem Rotor verbundenen Schiebemuffe auf eine Mittelstellung der jeweiligen Gesamtphasenverschiebung einstellbar. Wie oben beschrieben, ergibt sich die Gesamtphasenverschiebung aus dem eingeschlossen Winkel.
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Die Mittelstellung ist beispielsweise bei der oben beschriebenen symmetrischen Phasenverschiebung eine Nullgradstellung, das heißt, die Steuerscheibe wird bei symmetrischer Phasenverschiebung nicht verstellt. Bei der oben beschriebenen asymmetrischen Phasenverschiebung ist die Mittelstellung eine der Hälfte des eingeschlossenen Winkels der Gesamtphasenverschiebung entsprechende Stellung. Wenn beispielsweise die erste Phasenverschiebung –10° beträgt und die zweite Phasenverschiebung beträgt 20°, dann beträgt die Gesamtphasenverschiebung 30° und die Mittelstellung der Steuerscheibe entspricht einer Stellung von 15°.
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Vorteilhafterweise läuft die Steuerscheibe mit dem Rotor um. Auf diese Weise ist die erfindungsgemäße hydrostatische Radialkolbenmaschine über die in die entsprechende Mittelstellung verstellte Steuerscheibe steuerbar, indem die Arbeitsraumpaare über die Durchgangsöffnungen mit der jeweils richtigen Hochdruck- oder Niederdruckseite verbindbar sind.
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Vorteilhafterweise ist der Rotor als eine einteilige Welle ausgebildet. Dadurch sind eine Konstruktion und/oder eine Herstellung des Rotors vereinfacht. Ein weiterer Vorteil ist, dass an einen jeweiligen Abtrieb des Rotors eine weitere erfindungsgemäße Radialkolbenmaschine mit ihrem Antrieb an dem Rotor koppelbar ist.
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Vorteilhafterweise ist das erste Nockenprofil zusammen mit dem oder getrennt von dem zweiten Nockenprofil axial verschiebbar. Das erste Nockenprofil kann einteilig oder zweiteilig mit dem zweiten Nockenprofil ausgebildet sein.
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Vorteilhafterweise sind die Kolben innen oder außen abgestützt.
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Zwei Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen hydrostatischen Radialkolbenmaschine sind in den Zeichnungen dargestellt. Anhand der Figuren dieser Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert.
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Es zeigen
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1 in einem Längsschnitt eine Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen hydrostatischen Radialkolbenmaschine in einer ersten Betriebsstellung,
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2 in einem Längsschnitt eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen hydrostatischen Radialkolbenmaschine gemäß 1 in einer zweiten Betriebsstellung,
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3 in einem Längsschnitt eine Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen hydrostatischen Radialkolbenmaschine in einer ersten Betriebsstellung, und
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4 die erfindungsgemäße hydrostatische Radialkolbenmaschine gemäß 3 in einer zweiten Betriebsstellung.
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Das in 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel zeigt eine erfindungsgemäße hydrostatische Radialkolbenmaschine 1 mit einer ersten Gruppe 2 mit mehreren radial angeordneten ersten Zylindern 4, mit denen jeweils erste Kolben 6 erste Arbeitsräume 8 begrenzen. Axial davon beabstandet befindet sich eine zweite Gruppe 10 der erfindungsgemäßen Radialkolbenmaschine mit mehreren radial angeordneten zweiten Zylindern 12, mit denen jeweils zweite Kolben 14 zweite Arbeitsräume 16 begrenzen. In der ersten Gruppe 2 sind gleich viele erste Arbeitsräume 8 enthalten wie in der zweiten Gruppe 10 zweite Arbeitsräume 16. Die ersten Arbeitsräume 8 sind mit jeweils zu diesen axial benachbart angeordneten zweiten Arbeitsräumen 16 zu jeweils einem Arbeitsraumpaar 8, 16 fluidisch verbunden.
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Ein erstes Nockenprofil 18 für eine Hubbewegung der ersten Kolben 6 ist der ersten Gruppe 2 zugeordnet und ein zweites Nockenprofil 20 für eine Hubbewegung der zweiten Kolben 14 ist der der zweiten Gruppe 10 zugeordnet. Zur axialen Verstellung der Nockenprofile 18, 20 ist ein hydraulischer Verstellmechanismus 22 vorgesehen, auf den hier nicht näher eingegangen werden soll.
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Das erste Nockenprofil 18 ist zusammen mit dem zweiten Nockenprofil 20 axial verschiebbar, wobei die Nockenprofile 18, 20 aus fertigungstechnischen Gründen zwar zweiteilig ausgebildet sind, aber drehfest verbunden sind mit einer auf einem Rotor 26 der Radialkolbenmaschine 1 axial verschiebbar angeordneten Schiebemuffe 28. Der hydraulische Verstellmechanismus 22 wirkt auf die Schiebemuffe 28, kann aber in einer weiteren Ausgestaltung auf den Rotor 26 oder auf eines der Nockenprofile 18, 20 oder auf beide Nockenprofile 18, 20 wirken. Die Nockenprofile 18, 20 können auch einteilig ausgebildet sein, insbesondere einteilig mit der Schiebemuffe 28. In einer weiteren Variante können die Nockenprofile 18, 20 getrennt voneinander axial verschiebbar sein, insbesondere realisiert mit einem (nicht dargestellten) weiteren hydraulischen Verstellmechanismus.
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Die Nockenprofile 18, 20 weisen eine sinusförmige Oberfläche auf, deren Ausbreitungsrichtung 30 unter einem von 90° abweichenden Schrägstellwinkel (γ) zu einer axialen Richtung 32 verläuft. Unter Ausbreitungsrichtung ist eine Richtung zu verstehen, in die sich eine derart ausgebildete Welle ausbreiten würde. Die sinusförmige Oberfläche kann spiralförmig verdrillt sein, insbesondere progressiv spiralförmig verdrillt.
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Die Gruppen 2, 10 sind an einem Stator 24 der Radialkolbenmaschine 1 angeordnet und die Nockenprofile 18, 20 sind drehfest an dem als eine einteilige Welle ausgebildeten Rotor 26 angeordnet. In einer weiteren Ausgestaltung kann dies umgekehrt sein. Im Fall die Nockenprofile 18, 20 direkt auf dem Rotor 26 angeordnet sind, ist der Rotor 26 axial verschiebbar. In einer weiteren Ausgestaltung kann der Stator 24 axial in Bezug auf den Rotor 26 verschiebbar sein, wobei der hydraulische Verstellmechanismus 22 auf den Stator 24 wirkt.
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Die Arbeitsraumpaare 8, 16 sind bei einem Ein-Quadrantenbetrieb über entsprechend wirksame Rückschlagventile 34, 36 mit einer Hochdruckseite 38 oder einer Niederdruckseite 40 verbindbar.
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Nachfolgend wird die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Radialkolbenmaschine prinzipiell beschrieben:
Über die axiale Verschiebung der Schiebemuffe 28 erfolgt eine Phasenverschiebung der Hubbewegung der ersten Kolben 6 bezüglich der Hubbewegung der zweiten Kolben 14, da dadurch eine auf die jeweiligen Kolben 6, 14 wirksame Hubkurve verändert wird. Die Phase der Hubbewegungen je Arbeitsraumpaar 8, 16 ist somit veränderbar.
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In 1 ist eine Phasenverschiebung von 0°dargestellt, bei der sich die beiden Hubvolumina der Kolben 6, 14 in dem Arbeitsraumpaar 8, 16 addieren, das heißt, beide Hubbewegungen der Kolben 6, 14 laufen synchron und im selben Takt. Das Verdrängungsvolumen ist somit auf ein Maximum verstellt, das heißt auf 100%.
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Wenn, wie in 2 dargestellt, die Hubbewegung des ersten Kolbens 6 um 180° phasenverschoben ist in Bezug auf die Hubbewegung des zweiten Kolbens 14 in dem Arbeitsraumpaar 8, 16, dann ist das Verdrängungsvolumen derart verstellt, dass ein Hubvolumen des ersten Kolbens 6 vollständig von dem zweiten Arbeitsraum 16 aufgenommen ist und umgekehrt. Das Verdrängungsvolumen der erfindungsgemäßen Radialkolbenmaschine ist dabei gleich Null. Dabei ist eine erste Phasenverschiebung der Hubbewegung des ersten Kolbens 6, in Bezug auf eine nicht verschobene Hubbewegung betrachtet, gleich –90° und die zweite Phasenverschiebung der Hubbewegung des zweiten Kolbens 14, in Bezug auf eine nicht verschobene Hubbewegung betrachtet, beträgt +90°. Die erste Phasenverschiebung ist also gegengleich zu der zweiten Phasenverschiebung eingestellt, ist eine sogenannte symmetrische Phasenverschiebung.
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Ein Wert zwischen 0 und 100% des Verdrängungsvolumens ist durch eine Phasenverschiebung zwischen 0 und 180° einstellbar.
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In 3 ist abweichend zu dem vorher in den 1 und 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel an Stelle der dort dargestellten Rückschlagventile 34, 36 eine Steuerscheibe 42 zur Steuerung der erfindungsgemäßen Radialkolbenmaschine 1 eingesetzt. Die Arbeitsräume 8, 16 jedes Arbeitsraumpaares 8, 16 sind bei einem Arbeitshub über eine an einer Steuerscheibe 42 (nicht dargestellte) vorgesehene Durchgangsöffnung mit einer Hochdruckseite 38 verbindbar und bei einem Rückhub über eine an der Steuerscheibe 42 vorgesehene (nicht dargestellte) weitere Durchgangsöffnung mit einer Niederdruckseite 40 verbindbar.
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Die Steuerscheibe 42 ist über eine axiale Verschiebung der drehfest und axial verschiebbar mit dem Rotor 26 verbundenen Schiebemuffe 28 auf eine Mittelstellung der jeweiligen Gesamtphasenverschiebung einstellbar. Die Steuerscheibe 42 läuft mit dem Rotor 26 um.
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Die Mittelstellung ist beispielsweise bei einer oben beschriebenen symmetrischen Phasenverschiebung eine Nullgradstellung, das heißt, die Steuerscheibe wird nicht verstellt. Bei einer asymmetrischen Phasenverschiebung ist die Mittelstellung eine der Hälfte des eingeschlossenen Winkels der Gesamtphasenverschiebung entsprechende Stellung. Wenn beispielsweise die erste Phasenverschiebung –10° beträgt und die zweite Phasenverschiebung beträgt 20°, dann beträgt die Gesamtphasenverschiebung 30° und die Mittelstellung der Steuerscheibe 42 entspricht einer Stellung von 15°.
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Bei einem in 4 dargestellten Betrieb der erfindungsgemäßen hydrostatischen Radialkolbenmaschine 1 als Pumpe und wenn beispielsweise die Gesamtphasenverschiebung größer ist als die halbe Periodendauer, wobei α = 360° beträgt, findet ein Druckseitenwechsel an den Anschlüssen der Hochdruckseite 38 oder einer Niederdruckseite 40 statt. Die Förderrichtung der Radialkolbenpumpe wird bei unveränderter Drehrichtung umgekehrt. Auf diese Weise ist ein Vier-Quadrantenbetrieb der erfindungsgemäßen Radialkolbenmaschine 1 durchführbar.
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Offenbart ist eine hydrostatische Radialkolbenmaschine mit axial benachbart angeordneten Arbeitsraumpaaren, deren Arbeitsräume fluidisch miteinander verbunden sind. Über eine axiale Verschiebung von Nockenprofilen für eine Hubbewegung von Kolben in den Arbeitsraumpaaren sind die Hubbewegungen der ersten Kolben in Bezug auf die Hubbewegung der zweiten Kolben phasenverschoben. Auf diese Weise ist eine Verstellung eines Verdrängungsvolumens auf einfache und energieeffiziente Weise realisierbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- hydrostatische Radialkolbenmaschine
- 2
- Erste Gruppe
- 4
- Erste Zylinder
- 6
- Erster Kolben
- 8
- Erster Arbeitsraum
- 10
- Zweite Gruppe
- 12
- Zweiter Zylinder
- 14
- Zweiter Kolben
- 16
- Zweiter Arbeitsraum
- 18
- Erstes Nockenprofil
- 20
- Zweites Nockenprofil
- 22
- Hydraulischer Verstellmechanismus
- 24
- Stator
- 26
- Rotor
- 28
- Schiebemuffe
- 30
- Ausbreitungsrichtung
- 32
- Axiale Richtung
- 34
- Rückschlagventil
- 36
- Rückschlagventil
- 38
- Hochdruckseite
- 40
- Niederdruckseite
- 42
- Steuerscheibe
- γ
- Schrägstellwinkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004049864 A1 [0003]
