DE102015224132A1

DE102015224132A1 - Hydrostatische Axialkolbenmaschine mit Steuerscheibe

Info

Publication number: DE102015224132A1
Application number: DE102015224132.7A
Authority: DE
Inventors: Josef Kopecki
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-12-03
Filing date: 2015-12-03
Publication date: 2017-06-08
Also published as: CN106979134A; CN106979134B; US20170159637A1

Abstract

Offenbart sind eine hydrostatische Axialkolbenmaschine mit einer Steuerscheibe, die ein Dauerentlastungsfeld aufweist sowie zumindest ein hydrostatisches Zusatzentlastungsfeld.

Description

Die Erfindung betrifft eine hydrostatische Axialkolbenmaschine mit einer Zylindertrommel und mit einer Steuerscheibe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Prinzipiell kann eine hydrostatische Axialkolbenmaschine als Motor oder als Pumpe betrieben werden. Eine Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauart hat eine innere Zylindertrommel mit mehreren Zylinderbohrungen, in denen Kolben in Axialrichtung beweglich sind. Der Hub der Kolben entsteht aufgrund der Lagerung der Kolben auf einer Schrägscheibe mittels Gleitschuh. Auf der Seite der Zylinderbohrungskanäle sitzt zwischen der Zylindertrommel und dem Gehäuse eine Steuerscheibe, an der an einem Bereich eines ersten Halbkreises eine Hochdruckseite oder Niederdruckseite realisiert ist. An einem zweiten Halbkreis befindet sich die entgegengesetzte Druckseite (Hoch-/Niederdruck) zum ersten Halbkreis.
Durch die hohen Betriebsdrücke von bis zu 500 bar wird die Steuerscheibe gegen die Zylindertrommel gepresst. Im Motorenbetrieb wird Druckmittel an der Hochdruckseite in die Hubräume gepresst, wodurch die Zylindertrommel mittels Axialbewegung der Kolben und Schrägstellung der Schrägscheibe in eine Drehbewegung versetzt wird. Das erzeugte Drehmoment wird auf die Abtriebswelle abgegeben. Im Pumpenbetrieb dagegen wird mittels eines Eingangsdrehmoments an der Antriebswelle das Druckmittel von der Niederdruckseite von den Kolben in die Zylinderbohrungen gesaugt. Durch die Drehung der Zylindertrommel und einem festgelegten Schwenkwinkel wird das Druckmittel im Hubraum durch die Axialbewegung des Kolbens zur Hochdruckseite verdrängt, was eine Druckerhöhung zur Folge hat.
Durch die Reibkräfte der ausschiebenden Kolben auf der Hochdruckseite erhöht sich im Pumpenbetrieb der Druck auf die Steuerscheibe gegenüber dem Motorenbetrieb. Zur Reduzierung von Reibkräften und Verschleiß zwischen der rotierenden Zylindertrommel und der ruhenden Steuerplatte sind aus dem Stand der Technik hydrostatische Entlastungen bekannt.
Eine hydrostatische Axialkolbenmaschine mit einer Steuerscheibe, einem Dauerentlastungsfeld und zumindest einem Zusatzentlastungsentlastungsfeld für die Zylindertrommel ist in der Druckschrift DE 10 2010 006 895 A1 beschrieben. Dort können ein oder mehrere Zusatzentlastungsfelder in Abhängigkeit des gewählten Betriebszustandes (Pumpe/Motor) zu dem Dauerentlastungsfeld zugeschaltet oder abgeschaltet werden. Im Motorenbetrieb wird eine geringere Entlastung angestrebt, so dass ein oder mehrere Zusatzentlastungsfelder drucklos geschaltet werden. Damit wird verhindert, dass im Betrieb als Motor die Entlastung zu groß wird, jedoch wird im Betrieb als Pumpe für eine zureichende Entlastung gesorgt.
Nachteil dieser Lösung ist, dass die Entlastung nur an bestimmte Betriebszustände angepasst werden kann. Andere Störungen durch Belastungswechsel, wie sie beispielsweise in einem Lastzyklus im Motor-/Pumpenbetrieb mit unterschiedlichen Drehzahlen auftreten, können mit den Merkmalen der Druckschrift DE 10 2010 006 895 A1 nicht eliminiert werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, eine hydrostatische Axialkolbenmaschine mit hydrostatischer Zusatzentlastung zu schaffen, die – zum Beispiel innerhalb eines Lastzyklus vorkommende – drehzahlabhängigen Probleme löst, so dass eine störungs- und verkippungsfreie Rotation der Zylindertrommel auf der Steuerscheibe gewährleistet werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer hydrostatischen Axialkolbenmaschine gelöst, die eine Steuerscheibe aufweist, an der eine rotierende Zylindertrommel in Anlage gehalten ist, wobei zusätzlich zu einem Dauerentlastungsfeld zumindest ein hydrostatisches Zusatzentlastungsfeld realisiert ist, das über eine Druckmittelversorgung mit Druckmittel versorgbar ist. Erfindungsgemäß stellt sich der Entlastungsdruck des zumindest einen Zusatzentlastungsfeldes in Abhängigkeit von einer Drehzahl der Zylindertrommel ein. Bei einer vorrichtungstechnisch einfachen Ausgestaltung ist der Entlastungsdruck des zumindest einen Zusatzentlastungsfeldes einfach zu- und abschaltbar.
Das hydraulische Dauerentlastungsfeld hat einen hydrostatischen und einen hydrodynamischen Anteil. Bei Drehzahlen unter 250 min^–1 bricht der hydrodynamische Anteil der Dauerentlastung ein. Der übriggebliebene hydrostatische Anteil der Dauerentlastung reicht nicht aus um eine Flüssigkeitsreibung aufrechtzuerhalten. Stattdessen kommt es zu einer Grenz-/Mischreibung oder gar einer Festkörperreibung, bei denen es ohne die erfindungsgemäße drehzahlabhängige Zusatzentlastung zu massiven Verschleißerscheinungen an der Steuerscheibe kommt. Vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Lösung ist es, dass der wegfallende hydrodynamische Anteil der Dauerentlastung durch einen rein hydrostatischen Anteil des zumindest einen Zusatzentlastungsfeldes ersetzt werden kann.
Besonders gut eignet sich das hydrostatische Zusatzentlastungsfeld zur Kompensation von drehzahlabhängigen Störgrößen. Solche Störgrößen können beispielsweise Kräfte und Momente sein. Insbesondere im Bereich sehr niedriger oder sehr hoher Drehzahlen können solche Störgrößen auftreten. Eine Störgröße ist zum Beispiel, wie oben beschrieben, die erhöhte Reibung durch Wegfallen des hydrodynamischen Anteils der Entlastung bei sehr niedrigen Drehzahlen nahe null. Eine weitere Störgröße ist die Umkehrung der Reibkraftvektoren beim Wechsel vom Pumpenbetrieb auf den Motorbetrieb. Hier kann im ungünstigen Fall die Zylindertrommel von der Steuerscheibe gezogen werden. Eine dritte Störgröße ist ein Kippmoment, das durch sehr hohe Drehzahlen der Axialkolbenmaschine entsteht. Dabei werden die Fliehkräfte, die auf den Kolben wirken, stetig höher, so dass durch die unterschiedlich weit ausgefahrenen Kolben die Lauffläche der Zylindertrommel zunehmend schräg auf der Lauffläche der Steuerscheibe gestellt wird. Bei Erreichen einer Abhebedrehzahl wird das Kippmoment so hoch, dass die Zylindertrommel von der Steuerscheibe einseitig abhebt.
Besonders bevorzugt ist ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Druckmittelversorgung eine Druckmittelstrombegrenzung aufweist.
Durch die Druckmittelstrombegrenzung wird der Druck, der dem Zusatzentlastungsfeld zu Verfügung steht, vermindert. Resultierend sorgt ein begrenzter Druckmittelstrom in Kombination mit der Anpresskraft der Zylindertrommel auf die Steuerscheibe für eine geringere Spalthöhe zwischen den Laufflächen der Zylindertrommel und der Steuerscheibe. Die Düse kann in Kombination mit einer Hilfspumpe als Druckmittelversorgung eingesetzt werden.
Vorzugsweise wird vor dem Druckmitteleingang des hydrostatischen Zusatzentlastungsfeldes eine nicht-verstellbare Düse angeordnet, die den Druckmittelstrom begrenzt und den Entlastungsdruck vermindert. Besonders bevorzugt ist hierbei ein Düsendurchmesser von 0,4 mm, aber auch Düsendurchmesser von 0,1 bis 0,8 mm sind grundsätzlich denkbar.
Alternativ zu einer nicht-verstellbare Düse wird besonders bevorzugt eine verstellbare Düse eingesetzt um den Entlastungsdruck im Zusatzentlastungsfeld und damit die Zusatzentlastungskraft zu steuern. Mit der verstellbaren Düse kann der zugeführte Druck von der Hochdruckseite der Steuerscheibe abgemindert werden.
Besonders bevorzugt wird eine Ausführungsform, bei der das Druckmittel über die Hochdruckseite der Axialkolbenmaschine bezogen oder abgegriffen ist.
Besonders vorteilhaft bei dieser Lösung ist, dass auf weitere hydraulische Bauteile wie Pumpen oder Speicher verzichtet werden kann. Bei einem Abgriff des Druckes auf der Hochdruckseite der Axialkolbenmaschine wird bevorzugt die zuvor beschriebene verstellbare Düse verwendet. Durch die Kopplung des Zusatzentlastungsfeldes mit der Hochdruckseite der Axialkolbenmaschine ist so eine Verstell-Möglichkeit gegeben, um den Entlastungsdruck des Zusatzentlastungsfeldes erfindungsgemäß in Abhängigkeit der Drehzahl steuern zu können. Es gibt prinzipiell zwei Verstellarten die realisiert werden können. Zum einen kann der Druck über die verstellbare Düse solange angehoben werden, bis eine vollständige Entlastung des Zusatzentlastungsfeldes bei gleichzeitiger Minimierung des Druckmittelstroms realisiert ist, oder es kann über die Dimensionierung des Zusatzentlastungsfeldes dessen hydraulischer Widerstand, der sich durch das Spaltmaß zwischen dem Zusatzentlastungsfeld und der Zylindertrommel ergibt, abgesenkt werden. Dadurch wird der Druckmittelstrom hauptsächlich von den Widerstandverhältnissen beispielsweise der Düse bestimmt, die dem Zusatzentlastungsfeld eine definierte Druckmittelfilmhöhe aufprägen.
Vorzugsweise wird das Zusatzentlastungfeld mit einem hydraulischen Speicher und/oder einer hydraulischen Pumpe, insbesondere Hilfspumpe verbunden.
Da bei diesen Ausführungen keine Kopplung des hydrostatischen Zusatzentlastungsfeldes mit dem Betriebsdruck der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine vorhanden ist, kann über die Verstellbarkeit der Hilfspumpe der Entlastungsdruck des Zusatzentlastungsfeldes gesteuert werden. Alternativ oder parallel zur Hilfspumpe kann auch ein hydraulischer Speicher verwendet werden. Dieser kann die aufgenommene hydraulische Energie an das System zurückgeben, insbesondere an das Zusatzentlastungsfeld abgeben. Bei dieser Ausführungsform wird bevorzugt die bereits oben erwähnte nicht-verstellbare Düse verwendet.
Aber auch andere Kombinationen wie z.B. nicht-verstellbare Düse, Hochdruckabgriff, verstellbare Düse, Hilfspumpe oder hydraulische Speicher sind vorstellbar.
In der Regel kommt es in einer hydrostatischen Axialkolbenmaschine zu internen Verlusten (Leckage) von Druckmittel bzw. Öl, wie beispielsweise ein Ölabspritzvorgang in das Gehäuse der Axialkolbenmaschine. Bevorzugt wird dieses Absteueröl dazu verwendet, um das hydrostatische Zusatzentlastungsfeld zu versorgen.
Vorzugsweise ist ein erstes Zusatzentlastungsfeld in eine Kipprichtung der Zylindertrommel auf der Steuerscheibe angeordnet.
Dieses Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, dass die spezifische Betriebsstörung des Verkippens der Zylindertrommel weitestgehend verhindert wird. Wie bereits oben beschrieben entstehen Fliehkräfte der ausgezogenen Kolben insbesondere bei sehr hohen Drehzahlen der Zylindertrommel der hydrostatischen Axialkolbenmaschine, die zu einer Verkippung der Zylindertrommel auf der Steuerscheibe führen. Diese Verkippung ist charakterisiert durch einseitiges Abheben der Zylindertrommel, wobei eine punktuelle Restanpresskraft der Zylindertrommel auf der Steuerscheibe gegeben ist. An der Stelle der Steuerscheibe, an der die punktuelle Restanpresskraft (Kipppunkt) lokalisiert ist, ist ein Zusatzentlastungfeld angeordnet um die vorhandene Restanpresskraft zu kompensieren. Damit kann die Axialkolbenmaschine in einem höheren Drehzahlbereich störungsfrei betrieben werden. Vorzugsweise erstreckt sich das Zusatzentlastungsfeld ausgehend vom Kipppunkt beidseitig in Umfangsrichtung der Steuerscheibe.
Vorzugsweise vergrößert die Anordnung des Zusatzentlastungsfeldes einen Stützkreisradius in Kipprichtung an der Steuerscheibe, indem das Zusatzentlastungsfeld radial außen am Rand der Steuerplatte angeordnet ist.
Dies wirkt sich besonders vorteilhaft auf die Verhinderung der Verkippung der Zylindertrommel bei sehr hohen Drehzahlen aus. Zusätzlich zu der Kompensation aufgrund der hydrostatischen Wirkungsweise des Zusatzentlastungfeldes vergrößert die Anordnung des Zusatzentlastungsfeldes in Kipprichtung den Stützkreisradius. Es gibt Typen von Axialkolbenmaschine, bei denen die Zylindertrommel beim Abheben von der Steuerscheibe um den äußeren Rand eines Stützkreises schwenkt, der durch den Außendurchmesser des Dauerentlastungsfeldes charakterisiert ist. Definitionsgemäß hebt die Zylindertrommel ab, wenn die punktuelle Restanpresskraft außerhalb des Stützkreisradius liegt. Durch die Anordnung des Zusatzentlastungfeldes außerhalb des Dauerentlastungfeldes wird der Stützkreisradius vergrößert. Dadurch werden der Verkippungswinkel der Zylindertrommel reduziert und die Abhebedrehzahl in einen höheren Drehzahlbereich verschoben.
In vielen Fällen ist die Kipprichtung mit einem Winkel (α) zur einer Totpunkt- oder Mittelachse der Steuerscheibe angestellt, wobei der Wert des Winkels in einem Bereich von 5–45° liegen kann. Die beiden Totpunkte sind definiert durch die Stellung der Kolben im Zylinder, in der keine Axialbewegung ausgeführt wird und die Richtungsumkehr der Kolben vollzogen wird. Der obere und untere Totpunkt liegen diametral zueinander. Überträgt man beide Totpunkte auf die Steuerplatte und verbindet sie mittels einer Linie, so bildet sich die Totpunkt- bzw. Mittelachse. Das Zusatzentlastungsfeld ist besonders bevorzugt diesem Winkel (α) entsprechend ausgerichtet.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist ein weiteres Zusatzentlastungsfeld diametral zum ersten Zusatzentlastungsfeld angeordnet.
Besonders vorteilhaft bei der diametralen Anordnung von zwei Zusatzentlastungsfeldern ist ein zusätzlich erzeugtes Standmoment, das zur Kompensation der betriebsabhängigen Störgrößen dient. Bei einer Verkippung der Zylindertrommel und einer damit verbunden Schrägstellung steigt der Druck auf das betreffende Zusatzentlastungfeld, das in Kipprichtung angeordnet ist. Beim entgegengesetzt angeordneten Zusatzentlastungsfeld sinkt der Druck dagegen ab. Die sich daraus ergebenden Kräfte erzeugen demgemäß ein stabilisierendes Standmoment.
Im Prinzip ist in jedem Entlastungsfeld auch immer ein Selbstregeleffekt beteiligt. Wird die Spaltgröße zwischen Zylindertrommel- und Steuerscheibenlauffläche bei gleichbleibendem Volumenstrom kleiner, so führt dies zu einer Druckerhöhung. Der erhöhte Druck bewirkt eine Erhöhung der Entlastungskraft und wirkt der Zylindertrommel entgegen, was wiederum zu Vergrößerung der Spalterhöhe führt. Bei der Spaltvergrößerung sinkt jedoch der Druck wieder, wodurch sich die Spalthöhe verkleinert. Dadurch entsteht eine Art Selbstregelmechanismus, der durch das hydrostatische erfindungsgemäße Zusatzentlastungfeld realisiert ist. Bei der Anordnung von zwei diametral angeordneten Zusatzentlastungsfeldern wirken diese konträr selbstregulativ zueinander.
Im Allgemeinen kann zwischen drei Entlastungsarten (κ) unterschieden werden die gemäß der Formel κ_Pumpe = κ_Motor + κ_{Zusatzentlastung} dargestellt werden können. Die Dauerentlastung entspricht der Motorentlastung κ _Motor. Wird die Axialkolbenmaschine als Pumpe betrieben, entstehen höhere Kräfte an der Steuerscheibe, wodurch die reine Motorentlastung nicht ausreicht und ein störungsfreier Betrieb nicht gewährleistet ist. Dementsprechend wird mithilfe des Zusatzentlastungsfeldes oder der Zusatzentlastungsfelder eine zusätzliche Entlastung κ_{Zusatzentlastung} zu der Motorentlastung realisiert. Diese insgesamt höhere Entlastung wird Pumpenentlastung κ _Pumpe genannt.
Vorzugweise werden dabei Werte im Bereich von z.B. κ_Motor = 90–100% und κ_{Zusatzentlastung} = 1–10% angestrebt.
Besonders bevorzugt ist eine Motorentlastung von etwa κ_Motor = 96% sowie eine Zusatzentlastung von etwa κ_{Zusatzentlastung} = 5%, was zu einer Pumpenentlastung von κ_Pumpe = 101% führt.
Besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen hydrostatischen Axialkolbenmaschine sind in den Zeichnungen dargestellt. Anhand der Figuren dieser Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert.
Es zeigen
1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Druckmittelversorgung des Zusatzentlastungsfeldes auf der Steuerscheibe mittels einer nicht-verstellbaren Düse,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Zusatzentlastungsfeldes mittels verstellbarer Düse,
3 eine schematische Darstellung des Verkippens der Zylindertrommel in radialer und axialer Ansicht,
4 ein Ausführungsbeispiel einer Steuerscheibe mit einem in Kipprichtung angeordneten, erfindungsgemäßen Zusatzentlastungsfeld,
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Steuerscheibe mit erfindungsgemäßen Zusatzentlastungsfeldern und
6 einen typischen drehzahl- sowie druckvariablen Lastzyklus einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel des hydrostatischen Zusatzentlastungsfeldes 1 der hydrostatischen Axialkolbenmaschine auf einer Steuerscheibe 2 gezeigt, welches erfindungsgemäß drehzahlabhängig über eine Hilfspumpe 4 mit Druckmittel versorgt wird. Das Zusatzentlastungsfeld ist etwa mittig am Außenumfang einer Hochdruckniere 32 angeordnet, über die die Zylinder einer Zylindertrommel (vergleiche 3) mit der Hochdruckseite der Axialkolbenmaschine verbunden werden. Weiterhin hat die Steuerscheibe 2 eine Niederdruckniere 34, über die die Zylinderbohrungen mit der Niederdruckseite verbunden sind. Bezüglich der grundlegenden Funktionsweise der Axialkolbenmaschine wird auf die Beschreibungseinleitung und auf 3 verwiesen. Die Hochdruckniere 32, die Niederdruckniere und das Zusatzentlastungsfeld 1 befinden sich in erhöhten Bereichen der Steuerscheibe 2, an denen die Zylindertrommel mit mehr oder weniger großer Spalthöhe anliegt. Der erhöhte Bereich, in dem sich das Zusatzentlastungsfeld 1 befindet, ist sehr schmal und von dem erhöhten Bereich, in dem sich die Hochdruckniere und die Niederdruckniere befinden, getrennt. Die zwischen dem das Zusatzentlastungsfeld umgebenden erhöhten Bereich und der Zylindertrommel auftretenden Spalte können als eine Düse aufgefasst werden, über die Druckmittel aus dem Zusatzentlastungsfeld in das nicht näher dargestellte Gehäuse der Axialkolbenmaschine abfließen kann und die in den Figuren mit der Bezugszahl 3 versehen ist.
Das Zusatzentlastungsfeld 1 ist im etwa 90° Winkel zum oberen Totpunkt OT der Kolbenstellung auf einer Steuerscheibe 2 angeordnet. Die Druckmittelversorgung des Zusatzentlastungsfeldes 1 ist bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 über eine Hilfspumpe 4 realisiert. Die Hilfspumpe 4 fördert Druckmittel über eine Hauptleitung zu einer nicht-verstellbaren Düse 6 und über diese in das Zusatzentlastungsfeld 1. Aus diesem fließt das Druckmittel in das Gehäuse ab. Der Druck in der Hauptleitung zwischen der Hilfspumpe 4 und der Düse 6 wird mittels eines Manometers 8 gemessen. Von der Hauptleitung zweigt eine Nebenleitung ab, die mit einem Druckbegrenzungsventil 12 versehen ist, das den Pumpendruck nicht über einen bestimmten Wert ansteigen lässt. Dies geschieht durch das Ablassen von überschüssiger Menge an Druckmittel in einen Tank 14, der offen zur Atmosphäre ist. Es ist eine solche Hilfspumpe 4 eingesetzt, dass sie immer mehr Druckmittel fördert als über die Düsen 6 und 3 wegfließt. Die Überschussmenge fließt über das Druckbegrenzungsventil 12 in den Tank ab. Somit ist der Druck in der Hauptleitung gleich dem durch das Druckbegrenzungsventil vorgegebenem Wert.
Der Entlastungsdruck, welcher in dem Zusatzentlastungsfeld 1 herrscht, ergibt sich durch Druckteilung mittels der Düsen 3 und 6. Besonders bevorzugt hat letztere Düse 6 einen Durchmesser von 4mm. Ist zum Beispiel der Durchflussquerschnitt der Düse 3 gleich dem Durchflussquerschnitt der Düse 6, so ist der Druck im Zusatzentlastungsfeld 1 gleich dem halben Pumpendruck. Hebt die Zylindertrommel demgegenüber etwas von der Steuerscheibe ab, so wird der Durchflussquerschnitt der Düse 3 größer und der Druck im Zusatzentlastungsfeld verringert sich. Nähert sich die Zylindertrommel gegenüber einer Lage mit halbem Pumpendruck im Zusatzentlastungsfeld der Steuerscheibe an, so wird der Durchflussquerschnitt der Düse 3 kleiner und der Druck im Zusatzentlastungsfeld vergrößert sich. Dadurch ergeben sich ein Selbstregelverhalten des Druckes im Zusatzentlastungsfeld und damit ein Selbstregelverhalten der Wirkung des Zusatzentlastungsfelds. Ändert sich die Entlastung der Zylindertrommel in den die Hochdruckniere und die Niederdruckniere umgebenden Flächenbereichen aufgrund einer Änderung der Drehzahl oder des Arbeitsdrucks, so ändert sich die Entlastung durch das Zusatzentlastungsfeld entgegengesetzt dazu.
Von der Hauptleitung zweigt eine weitere Nebenleitung mit einem 2/2-Wegeventil 16 ab. In einer offenen Stellung des 2/2-Wegeventils 16 kann das Druckmittel aus der Hauptleitung über die Nebenleitung in den Tank 14 abfließen. Der Druck in der Hauptleitung und damit auch im Zusatzentlastungsfeld 1 ist dann Tankdruck. Das Zusatzentlastungsfeld ist unwirksam. Im geschlossenen Zustand des 2/2-Wegeventils 16 wird das Druckniveau in der Hauptleitung aufrechterhalten.
Der am Zusatzentlastungsfeld 1 anliegende Druck kann mittels eines Manometers 10 gemessen werden. Die Manometer 8 und 10 sind in erster Linie für Versuchszwecke vorgesehen.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem das hydrostatische Zusatzentlastungsfeld 1 auf der Steuerscheibe 2 über die Hochdruckseite der Axialkolbenmaschine mit Druckmittel versorgbar ist. Die dargestellte Steuerscheibe 2 aus 2 ist gleich der Steuerscheibe 2 aus 1. Zur Druckmittelversorgung des Zusatzentlastungsfelds fließt Druckmittel aus der Hochdruckniere 32 über eine Düse 15 mit einem konstanten Durchflussquerschnitt zu einer Abzweigung 17, von der drei Leitungen ausgehen. Die eine Leitung führt ohne weitere Drosselquerschnitte zu dem Zusatzentlastungsfeld 1. Schaltungstechnisch sind also das Zusatzentlastungsfeld 1 und die Abzweigung 17 dasselbe. Eine zweite Leitung führt zum Tank 14. In diese Leitung ist wie bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 ein 2/2-Wegeschaltventil 16 eingefügt. In offener Stellung des 2/2-Wegeventils 16 fließt das Druckmittel zum Tank 14 hin ab, was zu einer Druckentlastung und damit zu einem Abbau des Entlastungsdrucks im Zusatzentlastungsfeld 1 führt beziehungsweise einen Druckaufbau in dem Zusatzentlastungsfeld 1 verhindert. Der Druck im Zusatzentlastungsfeld ist dann gleich dem Gehäusedruck, der wiederum gleich Tankdruck sein kann. Eine dritte Leitung führt ebenfalls zum Tank 14. In diese Leitung ist eine Düse 18 mit einem verstellbaren Durchflussquerschnitt eingefügt. Somit sind die Düse 18 und die Düse 3, die durch die Spalte zwischen der Berandung des Zusatzentlastungsfelds 1 und der Zylindertrommel gebildet ist, parallel zueinander geschaltet. Die parallel zueinander angeordneten Düsen 3 und 18 sind wiederum in Reihe zu der Düse 15 angeordnet. In der geschlossenen Stellung des 2/2-Wegeschaltventils ergibt sich der Druck im Zusatzentlastungsfeld 1 durch Druckteilung zwischen der Düse 15 einerseits und den Düsen 3 und 18 andererseits. Mit Hilfe der verstellbaren Düse 18 kann der wirksame Düsenquerschnitt der Kombination aus den parallel geschalteten Düsen 3 und 18 verändert werden. Wird ein kleiner Durchflussquerschnitt der verstellbaren Düse 18 gewählt, so ist der Druck im Zusatzentlastungsfeld 1 höher, als wenn der Durchflussquerschnitt der verstellbaren Düse 18 größer gewählt wird. Außerdem beeinflusst wie bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 natürlich auch der Durchflussquerschnitt der Düse 3 das Druckniveau in dem Zusatzentlastungsfeld 1. Ist der Durchflussquerschnitt der Düse 3 gleich null, so bestimmt allein die Düse 18 zusammen mit der Düse 15 den Druck im Zusatzentlastungsfeld 1. Mit Hilfe der verstellbaren Düse 18 kann also auch ein Maximaldruck im Zusatzentlastungsfeld eingestellt werden.
Das Druckniveau am Zusatzentlastungsfeld 1 kann über das Manometer 10 gemessen werden.
Die 3 zeigt zwei schematische Darstellungen der Axialkolbenmaschine. Die 3a ist ein Längsschnitt der Axialkolbenmaschine, insbesondere der Zylindertrommel 20 und der Steuerscheibe 2, an der die Zylindertrommel 20 anliegt. 3b zeigt die Zylindertrommel 20 in einem Querschnitt. Man erkannt die Schrägstellung einer Schrägscheibe 26 der Axialkolbenmaschine. Am oberen Totpunkt OT befindet sich der Kolben 24 in seiner ausgefahrenen Stellung im Zylinder 22. Am unteren Totpunkt UT befindet sich der Kolben 24 in seiner eingefahrenen Stellung im Zylinder 22. Der Lagerpunkt 30 ist der Mittelpunkt auf der Schrägachse 26. Bei Erhöhung der Drehzahl werden die Fliehkräfte, die auf den Kolben 24 wirken, stetig höher, so dass durch die unterschiedlich weit ausgefahrenen Kolben 24 die Lauffläche der Zylindertrommel 20 zunehmend schräg auf der Lauffläche der Steuerscheibe 2 sitzt, verursacht durch das Kippmoment M_ges gemäß 3b. Der Kipppunkt 31 befindet sich nicht im oberen Totpunkt OT des Kolbens 24 auf der Totpunkt- oder Mittelachse y sondern in einem Winkel von ca. 15° zu dieser versetzt.
Die Steuerscheibe 2 aus 4 zeigt die Anordnung des Zusatzentlastungsfeldes 1 im Bereich des Kipppunktes 31 der Zylindertrommel 20. Dieses Ausführungsbeispiel wird bevorzugt für die bereits beschriebene Kompensation beziehungsweise Verhinderung der Verkippung der Zylindertrommel 20 auf der Steuerscheibe 2 realisiert. Die Steuerniere 32 der Hochdruckseite der Axialkolbenmaschine ist mit Zwischenstegen versehen. Die Steuerniere 34 der Niederdruckseite ist hingegen durchgängig ausgebildet. Das Zusatzentlastungsfeld 1 erstreckt sich über einen Winkel von ca. 5°–30° zur Totpunkt- oder Mittelachse y. Das Dauerentlastungsfeld 38 ist vollumfänglich über die Steuerscheibe 2 ausgebildet und entspricht der Motorentlastung. Zusammen mit dem zugeschalteten Zusatzentlastungsfeld 1 ist eine Pumpenentlastung realisiert. Die Anordnung des Zusatzentlastungsfeldes 1 vergrößert den Stützkreisradius 42. Wie beschrieben schwenkt die Zylindertrommel 20 beim einseitigen Abheben um den äußere Rand des Stützkreisradius 42, der beim Stand der Technik durch den Außendurchmesser des Dauerentlastungsfeldes 38 charakterisiert ist. Dieser Fall tritt ein, wenn die punktuelle Restanpresskraft außerhalb des Stützkreisradius 42 liegt. Durch die Anordnung des Zusatzentlastungfeldes 1 radial außerhalb des Dauerentlastungfeldes 38 wird der Stützkreisradius 42 vergrößert, was einem neuen Stützkreisradius 44 entspricht, der sich bis zum äußeren Rand des Zusatzentlastungsfeldes 1 erstreckt.
Eine Steuerscheibe 2 mit zwei diametral angeordneten Zusatzentlastungsfeldern 1 und 40 ist in 5 gezeigt. Das zweite Zusatzentlastungsfeld 40 erzeugt zusammen mit dem ersten Zusatzentlastungsfeld 1 ein zusätzliches Standmoment zur Kompensation bzw. Verhinderung der Verkippung der Zylindertrommel 20 auf der Steuerscheibe 2. Im zweiten Zusatzentlastungsfeld 40 verhält sich der Druck durch den oben beschriebenen Selbstregelungseffekt konträr zum ersten Zusatzentlastungsfeld 1. Welche Druckverhältnisse im jeweiligen Zusatzentlastungsfeld 1/40 herrschen, hängt von der jeweiligen Schrägstellung der Zylindertrommel 20 auf der Steuerscheibe 2 ab. Die Steuerscheibe 2 gemäß 5 eignet sich insbesondere für eine Axialkolbenmaschine im Zweiquadrantenbetrieb.
6 zeigt einen drehzahl- und druckvariablen Lastzyklus, der typischerweise mit einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine realisiert ist. Die obere Kurve zeigt den Druckverlauf 46 der Axialkolbenmaschine innerhalb des Lastzyklus. Die untere Kurve zeigt dagegen den Drehzahlverlauf 48 der Axialkolbenmaschine innerhalb des Lastzyklus. Am Drehzahlverlauf 48 erkennt man, dass sich innerhalb des Lastzyklus die Drehzahlen der Axialkolbenmaschine fast ausschließlich in einem Bereich nahe null oder in einem sehr hohen Bereich bei ca. 3000 1/min befinden. Bei diesen beiden Fällen kommt es zu den zuvor erläuterten stark unterschiedlichen drehzahlabhängigen Störungen, die durch das eine oder den mehreren erfindungsgemäßen Zusatzentlastungfeldern 1 und 40 kompensiert werden sollen indem dieses oder diese erfindungsgemäß drehzahlabhängig mit Druckmittel versorgt werden. Konkrete Störungen wären, wie bereits ausgeführt, das Wegfallen des hydrodynamischen Anteils des Dauerentlastungsfeldes 38 bei geringen Drehzahlen nahe Null sowie das Verkippen der Zylindertrommel 20 bei hohen Drehzahlen aufgrund der Fliehkräfte der ausgefahrenen Kolben 24 im Zylinder 22 oder das Verkippen der Zylindertrommel 20 beim Wechsel vom Motoren in den Pumpenbetrieb im niedrigen Drehzahlbereich nahe null.
Bezugszeichenliste

1: Zusatzentlastungsfeld
2: Steuerscheibe
3: Düse
4: Hilfspumpe
6: Düse
8: Manometer p₁
10: Manometer p₂
12: Druckbegrenzungsventil
14: Tank
15: Düse
16: 2/2-Wegeventil
17: Abzweigung
18: Düse
20: Zylindertrommel
22: Zylinder
24: Kolben
26: Schrägscheibe
28: Gleitschuhlagerung
30: Lagerpunkt
31: Kipppunkt
32: Steuerniere Hochdruck
34: Steuerniere Niederdruck
38: Dauerentlastungsfeld
40: zweites Zusatzentlastungsfeld
42: Stützkreisradius klein
44: Stützkreisradius groß
46: Druckverlauf
48: Drehzahlverlauf
α: Winkel
OT: oberer Totpunkt
UT: unterer Totpunkt
M_ges: Kippmoment
y: Totpunkt- oder Mittelachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010006895 A1 [0005, 0006]

Claims

Hydrostatische Axialkolbenmaschine mit einer Steuerscheibe (2), die ein Dauerentlastungsfeld (38) sowie zumindest ein hydrostatisches Zusatzentlastungsfeld (1; 40) aufweist, das mit Druckmittel versorgbar ist, und mit einer Zylindertrommel (20), die an der Steuerscheibe (29) abgestützt ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Entlastungsdruck des Zusatzentlastungsfeldes (1; 40) in Abhängigkeit von einer Drehzahl der Zylindertrommel einstellt.
Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1, wobei das zumindest eine Zusatzentlastungsfeld (1) zur Kompensation von drehzahlabhängigen Störgrößen dient.
Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Druckmittelversorgung eine Druckmittelstrombegrenzung (6; 18) aufweist.
Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Druckmittel über eine Hochdruckseite der Axialkolbenmaschine bezogen oder abgegriffen ist.
Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zumindest eine Zusatzentlastungfeld (1) mit einer hydraulischen Kapazität und/oder einer hydraulischen Pumpe (4) verbindbar oder verbunden ist.
Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Druckmittel ein Absteueröl ist.
Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein erstes Zusatzentlastungsfeld (1) in eine Kipprichtung angeordnet ist.
Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Anspruch 7, wobei die Anordnung des Zusatzentlastungsfeldes (1) eine Vergrößerung eines Stützkreisradius (44) an der Steuerscheibe (2) bewirkt.
Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei die Kipprichtung mit einem Winkel (α) zur einer Totpunkt- oder Mittelachse (y) der Steuerscheibe (2) angestellt ist, der etwa 5–45° beträgt.
Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei ein zweites Zusatzentlastungsfeld (40) diametral zum ersten Zusatzentlastungsfeld (1) angeordnet ist.
Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Entlastungsdruck des Zusatzentlastungsfeldes (1; 40) in Abhängigkeit von der Drehzahl der Zylindertrommel (20) steuerbar oder regelbar ist.