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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine mit einer Welle, auf der drehfest eine Taumelscheibe angeordnet ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem einen Kolben für eine derartige Axialkolbenmaschine.
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Gattungsgemäße Axialkolbenmaschinen sowie gattungsgemäße Kolben sind hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt, bspw. aus der
DE 10 2011 118 622 A1 .
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Generell muss bei Axialkolbenmaschinen, welche oftmals in Wärmerückgewinnungssystemen von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, ein Kolben gegen ein unerwünschtes Verdrehen gesichert werden, da ansonsten eine Kolbenbrücke des Kolbens langfristig an eine Taumelscheibe der Axialkolbenmaschine stoßen und dort Schäden hervorrufen würde. Üblicherweise wird dies durch eine Verdrehsicherung des Kolbens in Bezug auf eine Zylinderbuchse bzw. ein Gehäuse der Axialkolbenmaschine bewirkt.
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Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verdrehsicherungen, bspw. in der Art von Nut und Federverbindungen, ist jedoch, dass eine derartige Führung eines Verdrehsicherungspins in einer zugehörigen Axialnut einer Zylinderbuchse eine hohe Fertigungsgenauigkeit erfordert und damit nur geringe Toleranzen erlaubt, ebenso wie einen nicht zu unterschätzenden Bauraumbedarf, insbesondere in radialer Richtung der Axialkolbenmaschine.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für eine Axialkolbenmaschine der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine Verdrehsicherung eines Kolbens einer Axialkolbenmaschine erstmals nicht über eine Zylinderbuchse bzw. ein Gehäuse der Axialkolbenmaschine zu realisieren, sondern über eine Taumelscheibe derselben, da hier eine deutlich geringere Maßgenauigkeit und eine höhere Toleranz möglich sind. Die Axialkolbenmaschine besitzt eine Welle, auf der drehfest die zuvor genannte Taumelscheibe angeordnet ist, die über jeweils einem zugehörigen Kolben zugeordnete Geitsteine die Kolben verstellt. Die Kolben selbst besitzen jeweils einen Kolbenkopf sowie eine Kolbenbrücke, wobei in letzterer ein Gleitstein zum Führen der Taumelscheibe angeordnet ist. Die Kolbenbrücke umgreift darüber hinaus einen Außenrand der Taumelscheibe. Erfindungsgemäß weist nun die Kolbenbrücke die zuvor erwähnte Verdrehsicherung auf, die mit dem Außenrand der Taumelscheibe zusammenwirkt und ein Verdrehen des zugehörigen Kolbens verhindert. Bei der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine wird somit die Verdrehsicherung erstmals über die Kolbenbrücke der Kolben und die Taumelscheibe bewirkt, wobei die Taumelscheibe derart gestaltet ist, dass ein Verdrehen des Kolbens durch eine Führungskontur der Kolbenbrücke zur Umfangskante, das heißt zum Außenrand der Taumelscheibe verhindert wird. Dabei wird ein schmaler Spalt zugelassen, der ein geringfügiges Spiel ermöglicht und dadurch das Verdrehen in gewissen Toleranzen erlaubt. Hierdurch ist es möglich, die gesamte Axialkolbenmaschine radial kompakter und auch leichter zu bauen. Zudem ist die im Bereich der Kolbenbrücke angeordnete Verdrehsicherung deutlich weniger toleranzanfällig, da im Vergleich zu einer Verdrehsicherung in Bezug auf die Zylinderbuchse bzw. das Gehäuse nicht auch noch eine exakte Kolbenführung im Gehäuse berücksichtigt werden muss. Insbesondere kann hierbei ausgenutzt werden, dass die Kolbenbrücke bereits äußerst exakt zur Taumelscheibe ausgerichtet/gefertigt ist.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist die Kolbenbrücke eine Führungskontur auf, in welcher der Außenrand der Taumelscheibe geführt ist. Eine derartige Führungskontur kann bspw. als Axialnut in einem Steg der Kolbenbrücke ausgebildet und dadurch sowohl fertigungstechnisch einfach als auch äußerst kostengünstig hergestellt werden. Der Steg der Kolbenbrücke ist dabei hinsichtlich seiner Innenkontur bspw. an eine Außenkontur der Taumelscheibe angepasst und ermöglicht bereits darüber die gewünschte und von der Erfindung bezweckte Verdrehsicherung des zugehörigen Kolbens.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist der Außenrand der Taumelscheibe ballig ausgebildet. Eine derartige ballige Ausbildung bietet darüber hinaus den großen Vorteil, dass der Außenrand in einer über die axiale Länge konstant ausgebildeten Führungskontur bzw. Axialnut, geführt und darüber zugleich die Verdrehsicherung gewährleistet werden kann.
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Zweckmäßig ist die Führungskontur komplementär zum Außenrand der Taumelscheibe ausgebildet. Wie bereits in den vorherigen Absätzen beschrieben, stellt dies die fertigungstechnisch einfachste und zugleich kostengünstigste Möglichkeit der Verdrehsicherung dar. Zusätzlich oder alternativ ist auch denkbar, dass im Bereich der Führungskontur Rollkörper angeordnet sind, wobei derartige Rollkörper in rollendem Kontakt zum Außenrand der Taumelscheibe stehen und dadurch eine besonders leichtgängige Lagerung bewirken.
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Ohne derartige Rollkörper besteht zwischen der Führungskontur der Kolbenbrücke und dem Außenrand der Taumelscheibe ein Gleitkontakt, so dass in diesem Fall bspw. eine den Gleitwiderstand reduzierende Beschichtung auf die Führungskontur bzw. den Außenrand der Taumelscheibe aufgebracht werden kann. Eine derartige den Gleitwiderstand reduzierende Beschichtung kann zugleich auch als Verschleißschutzschicht ausgebildet sein, wodurch eine besonders verschleißbeständige Axialkolbenmaschine realisierbar ist. Eine derartige Verschleißschutzschicht kann bspw. separat aufgebracht oder aber auch durch ein Härten, das heißt ein Oberflächenvergüten, hergestellt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist im Bereich der Führungskontur eine Ölnut angeordnet, die bspw. in der Art eines Keilspalts ausgebildet ist. Durch einen derartigen Keilspalt kann gezielt Öl zwischen die Kolbenbrücke und den Außenrand der Taumelscheibe eingeschleppt und dadurch ein Staudruck aufgebaut werden, der ein sowohl den Verschleiß als auch den Gleitwiderstand reduzierendes Ölkissen bewirkt.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, einen Kolben für eine zuvor beschriebene Axialkolbenmaschine anzugeben, mit einem Kolbenkopf und einer Kolbenbrücke, die einen Gleitstein zum Führen der Taumelscheibe aufweist. Die Kolbenbrücke besitzt darüber hinaus eine Führungskontur, bspw. in der Art einer Axialnut, zum Führen eines Außenrandes der Taumelscheibe. Ein derartiger Kolben erfordert somit keine weiteren Verdrehsicherungen, bspw. in der Art eines Radialpins, der in eine eng zu tolerierende Axialnut einer Zylinderbuchse bzw. eines Gehäuses der Axialkolbenmaschine eingreifen und dort geführt werden muss. Ein derartiger erfindungsgemäßer Kolben ermöglicht darüber hinaus auch eine radial kompakt und leicht bauende Axialkolbenmaschine, wodurch sowohl Bauraumvorteile als auch Gewichtsvorteile realisierbar sind.
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Im Bereich der Führungskontur kann dabei eine Ölnut angeordnet sein, ebenso wie bspw. Rollkörper, wobei sowohl die Ölnut als auch die Rollkörper für eine erhöhte Leichtgängigkeit und damit einen reduzierten Widerstand stehen. Über die Ölnut kann bspw. Öl zwischen die Kolbenbrücke und den Außenrand der Taumelscheibe eingetragen und dort zum Aufbau eines Ölkissens genutzt werden. Über Rollkörper kann im Vergleich zu einem Gleitkontakt ein Rollkontakt zur Taumelscheibe hergestellt werden, der die Reibung nochmals reduziert.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist im Bereich der Führungskontur des erfindungsgemäßen Kolbens eine Verschleißschutzschicht aufgebracht oder die Führungskontur ist gehärtet. Eine derartige Verschleißschutzschicht kann nicht nur den Verschleißwiderstand erhöhen, sondern durch Beimengen einen den Gleitwiderstand reduzierender Stoffe auch den Reibungswiderstand reduzieren.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine,
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2 eine Detaildarstellung aus 1 im Bereich einer Kolbenbrücke mit einer Taumelscheibe mit ballig ausgebildetem Außenrand,
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3 eine Schnittdarstellung entlang der Schnittebene A-A aus 1,
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4 eine Darstellung wie in 3, jedoch bei einer anderen Verdrehsicherung.
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Entsprechend der 1 weist eine erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine 1, die bspw. Bestandteil eines Wärmerückgewinnungssystems 2 in einem Kraftfahrzeug 3 sein kann, eine Welle 4 auf, auf welcher drehfest eine Taumelscheibe 5, auch Schrägscheibe genannt, angeordnet ist. Darüber hinaus besitzt die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine 1 Kolben 6, die jeweils einen Kolbenkopf 7 sowie eine Kolbenbrücke 8 aufweisen. In der Kolbenbrücke 8 ist dabei ein Gleitstein 9 zum Führen der Taumelscheibe 5 angeordnet (vgl. auch 2).
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Betrachtet man die Kolben 6, so kann man erkennen, dass diese als gebaute Kolben ausgebildet sind und zwar aus dem topfförmigen Kolbenkopf 7 sowie der diesen verschließenden Kolbenbrücke 8. Die Kolbenbrücke 8 umfasst dabei einen Außenrand 10 der Taumelscheibe 5 und weist darüber hinaus eine Verdrehsicherung 11 auf, die mit dem Außenrand 10 der Taumelscheibe 5 zusammenwirkt und ein Verdrehen des zugehörigen Kolbens 6 verhindert. Die Verdrehsicherung 11 wird somit erfindungsgemäß erstmals von einem Gehäuse 12 der Axialkolbenmaschine 1 bzw. einer nicht dargestellten und in einem Zylinder 13 angeordneten Zylinderbuchse auf die Kolbenbrücke 8 und die Taumelscheibe 5 verlagert, wodurch sich diese fertigungstechnisch deutlich einfacher, zudem genauer und bauraumoptimiert realisieren lässt. Bislang bekannte Verdrehsicherungen, die bspw. durch eine radial abstehende Führungskontur am Kolben 6 realisiert waren, die in einer zugehörigen Führungsnut im Gehäuse 12 bzw. im Zylinder 13 geführt waren, erforderten immer eine deutlich stärkere Wandstärke des Gehäuses 12 bzw. des Zylinders 13 und einhergehend damit auch mehr Bauraum sowie ein höheres Gewicht. Insbesondere kann bei der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine 1 aber der Effekt ausgenutzt werden, dass die Maßtoleranzen zwischen der Kolbenbrücke 8 und der Taumelscheibe 5 bereits sehr gering sind, das heißt, dass in diesem Bereich eine bereits äußerst exakte Fügung vorliegt, so dass auf eine aufwendige und teure Fertigung einer Verdrehsicherung zwischen dem Kolben 6 und dem Gehäuse 12 verzichtet werden kann und damit die Toleranzvorteile der Kolbenbrücke 8 relativ zur Taumelscheibe 5 genutzt werden können.
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Betrachtet man insbesondere die 3 und 4, so kann man erkennen, dass die Kolbenbrücke 8 eine Führungskontur 14 aufweist, in welcher der Außenrand 10 der Taumelscheibe 5 geführt ist. Die Führungskontur 14 kann dabei bspw. als Nut, insbesondere als Axialnut, in einem Steg 15 der Kolbenbrücke 8 ausgebildet sein. Betrachtet man dabei die 3, so kann man erkennen, dass die Führungskontur 14 komplementär zum Außenrand 10 der Taumelscheibe 5 ausgebildet ist. Der Außenrand 10 steht somit über einen Gleitkontakt mit der Führungskontur 14 der Verdrehsicherung 11 an der Kolbenbrücke 8 in Kontakt. Um dabei die Gleitreibung zu reduzieren und darüber hinaus auch den Verschleiß zu minimieren, kann im Bereich der Führungskontur 14 und/oder auf dem Außenrand 10 der Taumelscheibe 5 eine Verschleißschutzschicht 18 aufgebracht sein, die vorzugsweise derart ausgebildet ist, dass sie nicht nur den Verschleiß, sondern auch die Gleitreibung reduziert. Eine derartige Verschleißschutzschicht 18 kann entweder separat aufgebracht werden oder aber durch Härten der Führungskontur 14 bzw. des Außenrands 10 der Taumelscheibe 5 hergestellt werden.
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Bei der gemäß der 4 dargestellten Führungskontur 14 weist diese eine Ölnut 16 auf, die bspw. in der Art eines Keilspalts ausgebildet sein kann und in der in der Art eines Gleitlagers Öl gezielt eingeschleppt und darüber ein Staudruck aufgebaut werden kann. Über einen derartigen Staudruck wiederum lässt sich ein Ölkissen realisieren, welches die Reibung zwischen dem Außenrand 10 der Taumelscheibe 5 und der Führungskontur 14 deutlich reduziert.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist der Außenrand 10 der Taumelscheibe 5 ballig ausgebildet, wie dies gemäß der 2 dargestellt ist. Dies bietet den großen Vorteil, dass der Außenrand 10 in einer über die axiale Länge konstant ausgebildeten Führungskontur 14 bzw. Axialnut, geführt und darüber zugleich die Verdrehsicherung 11 gewährleistet werden kann. Betrachtet man nochmals die 4, so kann man an dieser erkennen, dass im Bereich der Führungskontur 14 Rollkörper 17 angeordnet sind, die im Vergleich zu einer Gleitlagerung (vgl. 3) eine Rolllagerung des Außenrands 10 der Taumelscheibe 5 in der Führungskontur 14 der Verdrehsicherung 11 ermöglichen, wodurch die Reibung und damit auch der Verschleiß nochmals reduziert werden können.
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Generell von der Erfindung umfasst soll dabei nicht nur die Axialkolbenmaschine 1 an sich sein, sondern auch ein zugehöriger Kolben 6 mit Kolbenkopf 7 und Kolbenbrücke 8, wobei im Bereich der Kolbenbrücke 8 eine Führungskontur 14 zum Führen eines Außenrandes 10 einer Taumelscheibe 5 vorgesehen ist. Eine derartige Führungskontur 14 kann bspw. als Nut, insbesondere als Axialnut in einem Steg 15 der Kolbenbrücke 8 ausgebildet sein.
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Darüber hinaus ist es möglich, dass die Führungskontur 14 des erfindungsgemäßen Kolbens 6 komplementär zum Außenrand 10 der Taumelscheibe 5 ausgebildet ist und über einen Gleitkontakt mit diesem in Berührung steht. Alternativ ist selbstverständlich auch denkbar, dass im Bereich der Führungskontur 14 Rollkörper 17 vorgesehen sind, die einen Rollkontakt zwischen der Taumelscheibe 5 einerseits und der kolbenbrückenartigen Führungskontur 14 andererseits ermöglichen. Ein derartiger Rollkontakt reduziert die Reibung nochmals erheblich. Um die Gleitreibung zu reduzieren und/oder die Verschleißbeständigkeit zu verbessern, kann im Bereich der Führungskontur 14 zusätzlich auch eine Verschleißschutzschicht 18 bzw. eine die Gleitreibung reduzierende Schicht 18 aufgebracht sein, wobei zusätzlich oder alternativ auch denkbar ist, dass die Verschleißschutzschicht 18 bzw. die Gleitreibung reduzierende Schicht durch ein Härten der Oberfläche der Führungskontur 14 hergestellt ist.
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Mit der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine 1 lässt sich somit eine Verdrehsicherung 11 der einzelnen Kolben 6 erstmals bauraumoptimiert in den Bereich zwischen der Kolbenbrücken 8 bzw. der Taumelscheibe 5 verlegen, wodurch eine bislang zwischen Kolben 6 und Gehäuse 12 wirkende Verdrehsicherung entbehrlich wird. Hierdurch lassen sich nicht nur Bauraumvorteile erzielen, sondern zugleich auch Gewichtsvorteile. Darüber hinaus kann hiermit der große Vorteil ausgenutzt werden, dass zwischen den Kolbenbrücken 8 und der Taumelscheibe 5 eine deutlich höhere Fertigungsgenauigkeit mit deutlich reduzierten Toleranzen vorliegen. Dies kommt dem Anordnen der Verdrehsicherung 11 in diesem Bereich entgegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011118622 A1 [0002]
