DE102016214978A1

DE102016214978A1 - Hydrostatische Radialkolbenmaschine

Info

Publication number: DE102016214978A1
Application number: DE102016214978.4A
Authority: DE
Inventors: Kristoffer Sjolander; Björn Nordin
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-08-11
Filing date: 2016-08-11
Publication date: 2018-02-15

Abstract

Offenbart ist eine Hydrostatische Radialkolbenmaschine mit einem rotierenden Zylinderblock, in dem radial sternförmig Zylinder eingebracht sind, in denen ein jeweiliger Kolben geführt ist. In oder an einem ruhenden Gehäuse sind vorzugsweise achtzehn Nocken mit jeweils einer Arbeitsflanke und einer Rückführflanke angeordnet, die während einer Umdrehung des Zylinderblocks vorzugsweise achtzehn Hübe der Kolben bewirken oder ermöglichen. Jeder Flanke ist ein gehäusefester Flankenanschluss zugeordnet, mit dem die Zylinder beim Überfahren der Flanke verbunden sind. Erfindungsgemäß sind alle Flankenanschlüsse über eine jeweilige Schaltventilanordnung wahlweise mit einer Hochdruckseite und mit der Niederdruckseite der Radialkolbenmaschine verbindbar. Damit sind insbesondere die Flankenanschlüsse der als Arbeitsflanken dienenden Flanken je nach gewünschter Betriebsstufe zur Niederdruckseite umschaltbar, so dass das Verhältnis aus Umdrehungen und Volumenstrom der Radialkolbenmaschine in minimalen Stufen veränderbar ist. Neben den sich so ergebenden vorzugsweise achtzehn Betriebsstufen ist ein zusätzlicher Freilauf möglich, bei dem alle Flankenanschlüsse, die den als Arbeitsflanken dienenden Flanken zugeordnet sind, zur Niederdruckseite umgeschaltet werden. Da bei einer Drehrichtungsumkehr des Zylinderblocks und bei einer Umkehr des Volumenstroms die Arbeitsflanken und die Rückführflanken an den Nocken wechseln, und da erfindungsgemäß allen Flanken Schaltventilanordnungen zugeordnet sind, sind auch nach einer derartigen Umkehr die vorzugsweise achtzehn Betriebsstufen und der zusätzliche Freilauf möglich.

Description

Die Erfindung betrifft eine innen mit Druckmittel beaufschlagte Radialkolbenmaschine gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Radialkolbenmaschine.
Am Außenumfang derartiger hydrostatischer Radialkolbenmaschinen ist eine Hubkurve angeordnet, an der sich eine Mehrzahl von sternförmig angeordneten Kolben radial nach außen abstützt. Genauer gesagt haben die Kolben Nockenrollen, die entlang der Nocken der Hubkurve abrollen. Die Kolben sind in den als Zylinderbohrungen ausgebildeten Zylindern eines Zylinderblocks aufgenommen und schließen innen liegende Arbeitsräume ein. Der Zylinderblock dreht relativ zur ruhenden Hubkurve. Während eines Umlaufs eines Kolbens relativ zur Hubkurve führt der Kolben Arbeitshübe aus, deren Anzahl der Anzahl der Nocken entspricht.
Die Druckschriften US 4,724,742 und US 6,050,173 zeigen jeweils einen Radialkolbenmotor, bei dem die Versorgung der innen liegenden Arbeitsräume über einen Kommutator realisiert wird. Die Arbeitsräume sind in zwei Gruppen unterteilt, die wahlweise mit Hochdruck verbunden werden können. Damit kann der Schluckvolumenstrom des Motors um 50% verringert werden, wodurch seine Abtriebsdrehzahl erhöht und sein Abtriebsdrehmoment verringert wird.
Abweichend von der Kommutatorbauweise ist beispielsweise aus der EP 0 102 915 B1 eine Radialkolbenmaschine mit Verteilerplatte bekannt. Im Zylinderblock ist zu jedem Arbeitsraum ein Axialkanal vorgesehen, der an einer Stirnseite des Zylinderblocks eine Mündung aufweist. Die verschiedenen Mündungen sind auf einem Kreis angeordnet. An der Stirnseite des Zylinderblocks liegt dichtend eine gehäusefeste kreisringförmige Verteilerplatte an. Die vorbeilaufenden Mündungen werden abwechselnd und synchron mit dem Verlauf der Flanken der Nocken mit Hochdruck und Niederdruck verbunden.
Nachteilig an der letztgenannten Radialkolbenmaschine ist das konstante Verhältnis aus Umdrehungen und Volumenstrom.
Weiterhin ist aus dem Stand der Technik ein Radialkolbenmotor mit neun Nocken bekannt, bei dem drei verschiedene Schluckvolumenströme einstellbar sind. Damit lassen sich drei verschiedene Betriebsstufen (Kombinationen aus Drehmoment und Abtriebsdrehzahl) realisieren.
Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine innen beaufschlagte hydrostatische Radialkolbenmaschine mit rotierendem Zylinderblock zu schaffen, deren Verhältnis aus Umdrehungen und Volumenstrom in minimalen Schritten veränderbar ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine hydrostatische Radialkolbenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Radialkolbenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15 oder 16.
Die beanspruchte Radialkolbenmaschine hat einen rotierenden Zylinderblock, in dem radial sternförmig Zylinder eingebracht sind, in denen ein jeweiliger Kolben geführt ist. In oder an einem ruhenden Gehäuse sind mehrere (n) Nocken mit jeweils einer ersten und einer zweiten Flanke angeordnet, die während einer Umdrehung des Zylinderblocks gemäß ihrer Anzahl mehrere (n) Hübe der Kolben bewirken oder ermöglichen. Jeder Flanke ist ein gehäusefester Flankenanschluss zugeordnet, mit dem die Zylinder beim Überfahren der Flanke verbunden sind. Erfindungsgemäß sind alle (2·n) Flankenanschlüsse über eine jeweilige Schaltventilanordnung wahlweise mit einer Hochdruckseite und mit der Niederdruckseite der Radialkolbenmaschine verbindbar.
In Abhängigkeit der Drehrichtung des Zylinderblocks dienen die ersten Flanken aller Nocken als Arbeitsflanken und die zweiten Flanken aller Nocken als Rückführflanken oder umgekehrt.
Im Falle eines Motors sind Arbeitsflanken diejenigen Flanken, die – bei einer angenommen Drehrichtung – abfallend sind und den Kolben (im Normalfall unter Hochdruck) ein radiales Ausfahren ermöglichen. Die Rückführflanken sind die übrigen Flanken, die also – bei der gleichen Drehrichtung – steigend sind und die Kolben (im Normalfall unter Niederdruck) radial wieder nach innen drängen.
Im Falle einer Pumpe sind Arbeitsflanken diejenigen Flanken, die – bei einer angenommen Drehrichtung – steigend sind und die Kolben (im Normalfall unter Hochdruck) radial nach innen drängen. Die Rückführflanken sind die übrigen Flanken, die also – bei der gleichen Drehrichtung – fallend sind, und den Kolben (im Normalfall unter Niederdruck) ein radiales Ausfahren ermöglichen.
Dabei sind erfindungsgemäß insbesondere alle (n) den Arbeitsflanken zugeordnete Flankenanschlüsse wahlweise zur Aktivierung mit der Hochdruckseite verbindbar und zur Deaktivierung zur Niederdruckseite umschaltbar. Damit sind gemäß der Anzahl der Nocken mehrere (n) verschiedene Hubvolumina der Radialkolbenmaschine (pro Umdrehung ihres Zylinderblocks) einstellbar, so dass das Verhältnis aus Umdrehungen und Volumenstrom in minimalen Stufen veränderbar ist. Neben der Mehrzahl der (n) Stufen ist ein zusätzlicher Freilauf möglich, bei dem alle den Arbeitsflanken zugeordnete Flankenanschlüsse zur Niederdruckseite umgeschaltet werden.
Da bei einem Drehrichtungsumkehr des Zylinderblocks und bei einer Umkehr des Volumenstroms die Arbeitsflanken und die Rückführflanken ihre Funktion wechseln, und da erfindungsgemäß allen (2·n) Flanken Schaltventilanordnungen zugeordnet sind, sind bei der erfindungsgemäßen Radialkolbenmaschine auch nach einer derartigen Umkehr die Mehrzahl der (n) Stufen und der zusätzliche Freilauf möglich. Damit ist eine Radialkolbenmaschine mit maximaler Flexibilität geschaffen.
Im Falle eines Radialkolbenmotors ergeben sich mehrere (n) Gänge. Für den ersten Gang wird – wie bei Radialkolbenmotoren gemäß dem Stand der Technik – kein Arbeitsflankenanschluss zur Niederdruckseite umgeschaltet. Für den größten (n-ten) Gang werden fast alle (n – 1) Arbeitsflankenanschlüsse umgeschaltet und daher wird bei fast allen (n – 1) Arbeitsflanken freie Zirkulation unter Niederdruck ermöglicht. Für den Freilauf sind auch alle (n) Arbeitsflankenanschlüsse zur Niederdruckseite umschaltbar.
Als Motor kann die erfindungsgemäße Radialkolbenmaschine z.B. zum Antrieb einer Schiffswinde eingesetzt werden, wo situationsabhängig hohes Drehmoment mit niedriger Abtriebsdrehzahl oder umgekehrt gefordert sind.
Die zugeordneten Flankenanschlüsse sind auf einer oder auf zwei Kreisbahnen angeordnet und erstrecken sich vorzugsweise radial.
Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Radialkolbenmaschinen weist die Hockdruckseite zumindest einen fest zugeordneten ersten Ringkanal auf, während die Niederdruckseite zumindest einen fest zugeordneten zweiten Ringkanal aufweist. Ringkanal bedeutet, dass diese sich zumindest abschnittsweise um eine Rotationsachse des Zylinderblocks erstrecken. Die Ringkanäle können vorrichtungstechnisch einfach über die Schaltventilanordnungen mit den Flankenanschlüssen verbindbar sein. Der zweite Ringkanal kann größer als der erste Ringkanal sein und benötigt weniger vorrichtungstechnischen Aufwand.
Vorzugsweise sind die Schaltventilanordnungen im Gehäuse – entlang der Rotationsachse betrachtet – zwischen den beiden Ringkanälen einerseits und dem jeweiligen Flankenanschluss andererseits angeordnet.
Bei einer ersten bevorzugten Ausgestaltung sind die Schaltventilanordnungen von Schieberventilen gebildet, die mit der Hochdruckseite und der Niederdruckseite und dem Flankenanschluss verbunden sind.
Dabei kann ein Ventilschieber des Schieberventils radial zu einer Rotationsachse des Zylinderblocks angeordnet sein. Damit kann ein Aktor zum Verstellen des Ventilschiebers an einer Außenseite des Gehäuses angeordnet werden.
Bei einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung sind die Schaltventilanordnungen von einem ersten und einem zweiten Sitzventil gebildet, wobei das erste Sitzventil eine Verbindung des erstes Ringkanals mit dem Flankenanschluss steuert, während das zweite Sitzventil eine Verbindung des zweiten Ringkanals mit dem Flankenanschluss steuert.
Ein Ventilkörper des ersten Sitzventils ist vorzugsweise axial zu einer Rotationsachse des Zylinderblocks angeordnet.
Ein Ventilkörper des zweiten Sitzventils kann radial zur Rotationsachse angeordnet sein oder zu dieser angestellt sein.
Bei einer Weiterbildung wird mit einer Öffnung des ersten Sitzventils die Verbindung des ersten Ringkanals mit dem Flankenanschluss über das geschlossene zweite Sitzventil aufgesteuert, wobei der Ventilkörper des zweiten Sitzventils umströmt wird.
Zwischen den beiden Sitzventilen und dem Flankenanschluss kann auch eine verzweigende Leitung angeordnet sein.
Die Sitzventile können in Cartridge-Bauweise ausgeführt und in das Gehäuse der erfindungsgemäßen Radialkolbenmaschine eingeschraubt sein.
Die Schaltventilanordnungen sollten die bei Radialkolbenmaschinen mit vergleichsweise hohem Arbeits- bzw. Hochdruck vorgesteuert sein.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung hat die Radialkolbenmaschine achtzehn (n = 18) Nocken mit jeweils einer Arbeitsflanke und einer dieser entgegen gerichteten Rückführflanke, die während einer Umdrehung des Zylinderblocks achtzehn (n = 18) Hübe der Kolben bewirken oder ermöglichen. Damit sind achtzehn (n = 18) verschiedene Hubvolumina (Gänge) pro Umdrehung des Zylinderblocks wählbar. Damit lassen sich in vielen verschiedenen Hubvolumina (Gänge) die dabei umgeschalteten Flankenanschlüsse derart auswählen beziehungsweise positionieren, dass sie um 120 Grad zueinander beabstandet sind. Damit ist eine optimierte Kraftverteilung des Zylinderblocks gegeben. Außerdem lassen sich bei einer Radialkolbenmaschine mit achtzehn Nocken bei vielen verschiedenen Hubvolumina (Gänge) die umgeschalteten Flankenanschlüsse derart auswählen beziehungsweise positionieren, dass die Schwankungen des Hubvolumens (Pulsation) während einer Umdrehung des Zylinderblocks minimiert sind.
Bei einer speziellen Weiterbildung können die beiden Ringkanäle auf einer ersten Seite des Zylinderblocks angeordnet sein, während zwei weitere zueinander benachbarte Ringkanäle auf einer gegenüber liegenden Seite des Zylinderblocks angeordnet sind. Von den weiteren Ringkanälen ist wiederum einer mit der Hochdruckseite und der andere mit der Niederdruckseite verbunden.
Jeder Zylinder kann einen in dem Zylinderblock angeordneten Versorgungskanal aufweisen, über den der zugeordnete Zylinder während des Umlaufs mit den Flankenanschlüssen verbindbar ist.
Bei der Weiterbildung mit den vier Ringkanälen erstreckt sich der Versorgungskanal vorzugsweise von einer ersten axial zum Zylinderblock benachbarten Verteilerplatte zu einer zweiten axial zum Zylinderblock benachbarten Verteilerplatte, wobei in dem Gehäuse benachbart zur ersten Verteilerplatte der erste und der zweite Ringkanal und benachbart zur zweiten Verteilerplatte der dritte und der vierte Ringkanal vorgesehen sind. Wegen der beidseitigen Kraftbeaufschlagung durch die beiden Verteilerplatten ist eine Axialkraftkompensation des Zylinderblocks gegeben, so dass minimale oder keine Axialkräfte gegen das Gehäuse abgestützt werden müssen.
Die erfindungsgemäße Radialkolbenmaschine kann als Twin-Maschine ausgestaltet sein, deren Zylinder in dem Zylinderblock gleichmäßig auf zwei axial benachbarte Gruppen von Zylindern verteilt sind, wobei die Zylinder der beiden Gruppen zueinander in Umfangsrichtung versetzt sind. Damit lässt sich die Anzahl der Zylinder im Zylinderblock erhöhen, wodurch Schwankungen des Hubvolumens (Pulsation) der Drücke, der Kräfte und der Momente der Radialkolbenmaschine vergleichmäßigt sind. Damit ist bei einem Motor der Rundlauf verbessert.
Dabei sind vorzugsweise zwei im Wesentlichen baugleiche Hubringe im Gehäuse eingespannt, an denen jeweils die Nocken gebildet sind. Dabei sind die beiden Hubringe derart montiert, dass die Nocken in Umfangsrichtung betrachtet keinen Versatz zueinander aufweisen. Alternativ kann auch bei der Twin-Maschine ein einziger Hubring vorgesehen werden, der ausreichend breit bemessen ist, so dass die Nockenrollen beider Gruppen darauf abrollen können.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Abstufung der Hubvolumina einer vorbeschriebenen Radialkolbenmaschine sieht beispielhaft folgende Möglichkeiten vor, die für vergleichsweise große Hubvolumina (keine Gänge) vorgesehen sind:
Zum Einstellen von maximalem Hubvolumen (im Falle eines Motors erster Gang) wird kein Arbeitsflankenanschluss zur Niederdruckseite umgeschaltet, so dass keine freie Zirkulation ermöglicht wird. Zum Einstellen von (n – 1)/n Hubvolumen (im Falle eines Motors zweiter Gang) wird ein Arbeitsflankenanschluss zur Deaktivierung zur Niederdruckseite umgeschaltet. Zum Einstellen von (n – 2)/n Hubvolumen (im Falle eines Motors dritter Gang) werden zwei Arbeitsflankenanschlüsse zur Deaktivierung zur Niederdruckseite umgeschaltet. Vorzugsweise sind diese einander gegenüber liegend. Zum Einstellen von Hubvolumina im Bereich von (n – 3)/n bis 1/2 (im Falle eines Motors im Bereich vom vierten Gang bis zu einem mittleren Gang) wird eine entsprechende Anzahl von drei Arbeitsflankenanschlüssen bis zur Hälfte aller Arbeitsflankenanschlüsse zur Deaktivierung zur Niederdruckseite umgeschaltet. Vorzugsweise sind diese gleichmäßig am Umfang der Hubkurve verteilt angeordnet.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Abstufung der Hubvolumina einer vorbeschriebenen Radialkolbenmaschine sieht beispielhaft folgende Möglichkeiten vor, die für vergleichsweise kleine Hubvolumina (große Gänge) vorgesehen sind:
Zum Einstellen von minimalem (1/n) Hubvolumen (im Falle eines Motors größter Gang) wird nur ein Arbeitsflankenanschluss mit der Hochdruckseite verbunden, so dass fast überall freie Zirkulation ermöglicht wird. Zum Einstellen von 2/n Hubvolumen (im Falle eines Motors zweitgrößter Gang) werden zwei Arbeitsflankenanschlüsse mit der Hochdruckseite verbunden. Vorzugsweise sind diese einander gegenüber liegend. Zum Einstellen von Hubvolumina im Bereich von 3/n bis 1/2 Hubvolumen (im Falle eines Motors im Bereich vom drittgrößter Gang bis zu einem mittleren Gang) wird eine entsprechende Anzahl von drei Arbeitsflankenanschlüssen bis zur Hälfte aller Arbeitsflankenanschlüsse mit der Hochdruckseite verbunden. Vorzugsweise sind diese gleichmäßig am Umfang der Hubkurve verteilt.
Die folgenden fünf Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Radialkolbenmaschine betreffen die Ausgestaltung mit achtzehn Nocken.
Vorzugsweise sind zum Einstellen von 5/6 Hubvolumen (im Falle eines Motors vierter Gang) genau drei Arbeitsflankenanschlüsse zur Niederdruckseite umschaltbar. Vorzugsweise sind diese 120 Grad zueinander beabstandet am Umfang der Hubkurve verteilt.
Vorzugsweise sind zum Einstellen von 2/3 Hubvolumen (im Falle eines Motors siebter Gang) genau sechs Arbeitsflankenanschlüsse zur Niederdruckseite umschaltbar. Vorzugsweise sind diese 60 Grad zueinander beabstandet am Umfang der Hubkurve verteilt.
Vorzugsweise sind zum Einstellen von 1/2 Hubvolumen (im Falle eines Motors zehnter Gang) genau neun Arbeitsflankenanschlüsse zur Niederdruckseite umschaltbar. Vorzugsweise sind diese 40 Grad zueinander beabstandet am Umfang der Hubkurve verteilt.
Vorzugsweise sind zum Einstellen von 1/3 Hubvolumen (im Falle eines Motors dreizehnter Gang) genau sechs Arbeitsflankenanschlüsse zur Hochdruckseite umschaltbar. Vorzugsweise sind diese 60 Grad zueinander beabstandet am Umfang der Hubkurve verteilt.
Vorzugsweise sind zum Einstellen von 1/6 Hubvolumen (im Falle eines Motors sechzehnter Gang) genau drei Arbeitsflankenanschlüsse zur Hochdruckseite umschaltbar. Vorzugsweise sind diese 120 Grad zueinander beabstandet am Umfang der Hubkurve verteilt.
Mehrere Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen hydrostatischen Radialkolbenmaschine sind in den Zeichnungen dargestellt. Anhand der Figuren dieser Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert.
Es zeigen
1 eine Ausschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Radialkolbenmotors in einer geschnittenen perspektivischen Darstellung,
2 einen Ausschnitt des ersten Ausführungsbeispiels in einer weiteren geschnittenen perspektivischen Darstellung,
3 einen Ausschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels in einer geschnittenen perspektivischen Darstellung,
4 einen Ausschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels in einer geschnittenen perspektivischen Darstellung und
5 einen Ausschnitt eines vierten Ausführungsbeispiels in einer geschnittenen perspektivischen Darstellung.
1 zeigt einen Ausschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Radialkolbenmotors 1, der als Twin-Maschine mit zwei prinzipiell ähnlichen Maschinenteilen ausgebildet ist. Jeder Maschinenteil hat eine als Hohlwelle ausgebildete Abtriebswelle 2, die einstückig mit einem Zylinderblock 4 gebildet ist. Die beiden Zylinderblöcke 4 haben zwei axial zueinander beabstandete und benachbarte Gruppen von Zylinder-Kolben-Einheiten. Die Zylinder-Kolben-Einheiten der beiden Gruppen sind in Umfangsrichtung der beiden Zylinderblöcke 4 betrachtet zueinander versetzt.
Jede Zylinder-Kolben-Einheit hat eine im Zylinderblock 4 vorgesehene radiale Zylinderbohrung 6, in der jeweils ein (nicht gezeigter) Kolben radial geführt ist. Jeder Kolben begrenzt mit der zugeordneten Zylinderbohrung 6 einen Arbeitsraum, der über einen die beiden Zylinderblöcke 4 durchsetzenden rotierenden Versorgungskanal 10 abwechselnd mit einer Hochdruckseite und einer Niederdruckseite des Radialkolbenmotors 1 verbindbar ist. Dies geschieht über zwei ruhenden Verteilerplatten 16 und über zwei Paare von Ringkanälen R1, R2, R3, R4. Jeder Verteilerplatte ist ein Paar von Ringkanälen R1, R2, R3, R4 zugeordnet, das in einem von zwei Gehäuseteilen 18a, 18b vorgesehen ist und einen dauerhaft mit der Niederdruckseite und einen dauerhaft mit der Hockdruckseite des Radialkolbenmotors 1 verbunden Ringkanal R1, R2, R3, R4 aufweist.
Die vom Arbeitsraum entfernten Endabschnitte der Kolben bewegen sich über (nicht gezeigte) Nockenrollen entlang an einem von zwei ruhenden synchronen in Umfangsrichtung nicht versetzten Hubringen 14, die zwischen den beiden Gehäuseteilen 18a, 18b eingespannt sind und deren jeweiliger Innenumfang als Hubkurve mit achtzehn Nocken 15 ausgebildet ist. Damit führt jeder Kolben bei einer Drehung des Zylinderblocks 4 mit Bezug zum Hubring 14 achtzehn Hübe aus. Die mit Hochdruck beaufschlagten Kolben werden mit ihren Nockenrollen gegen radial nach außen abfallende Arbeitsflanken der Nocken 15 gedrückt, wodurch ein Drehmoment erzeugt wird, das zu einer Rotation des Zylinderblocks 4 und der Abtriebswelle 2 führt. Das über den Radialkolbenmotor 1 aufbringbare Drehmoment ist im Wesentlichen proportional zum Hochdruck. Nachdem ein Kolben entlang einer so genannten Arbeitsflanke radial nach außen bewegt wurde, wird er entlang einer so genannten Rückführflanke der nächsten Nocke 15 wieder radial nach innen gedrängt. Bei einem Radialkolbenmotor gemäß dem Stand der Technik und beim erfindungsgemäßen Radialkolbenmotor 1 mit maximal eingestelltem Schluckvolumenstrom Q_1/1 sind alle Arbeitsräume unter Hockdruck, wenn der Kolben entlang einer Arbeitsflanke bewegt wird, und unter Niederdruck, wenn er entlang einer Rückführflanke bewegt wird. Erfindungsgemäß lässt sich diese Zuordnung zur Verringerung des Schluckvolumenstroms Q in feinen Stufen ändern.
Beidseitig jedes Zylinderblocks 4 ist an der vom jeweils anderen Zylinderblock 4 abgewandten Seite die ringförmige Verteilerplatte 16 axial gegen den Zylinderblock 4 gespannt. Auf Grund der Einspannung der beiden Zylinderblöcke 4 über die Verteilerplatten 16 sind keine Axiallager für die Abtriebswelle 2 nötig, so dass eine Lagerung der Abtriebswelle 2 über zwei Radiallager 20 ausreichend ist.
In dem ersten Gehäuseteil 18a sind der erste und der zweite Ringkanal R1, R2 vorgesehen. Im zweiten Gehäuseteil 18b sind der dritte und der vierte Ringkanal R4 vorgesehen. Die vier Ringkanäle R1, R2, R3, R4 sind etwa rotationssymmetrisch zur jeweiligen Abtriebswelle 2 und an der vom jeweiligen Zylinderblock 4 abgewandten Seite der jeweiligen Verteilerplatte 16 angeordnet. In jedem Gehäuseteil 18a, 18b sind ein dauerhaft Hochdruck führender Ringkanal R1, R2, R3, R4 und ein dauerhaft Niederdruck führender Ringkanal R1, R2, R3, R4 vorgesehen.
Die beiden Verteilerplatten 16 haben jeweils sechsunddreißig gleichmäßig am Umfang verteilte axiale Durchgangsbohrungen 24. Diese münden gehäuseseitig in einen jeweiligen Verbindungskanal 26. Die Durchgangsbohrungen 24 und die Verbindungskanäle 26 sind im jeweiligen Gehäuseteil 18a, 18b synchron zu den Flanken der Nocken 15 verteilt. 50 Prozent der Verbindungskanäle 26 sind über einen Verschlussstopfen 29 abgesperrt. Die anderen 50 Prozent der Verbindungskanäle 26 sind beim ersten Ausführungsbeispiel über ein jeweiliges Schieberventil 30 entweder mit dem Niederdruck führenden Ringkanal R1, R2, R3, R4 oder mit dem Hochdruck führenden Ringkanal R1, R2, R3, R4 verbindbar. Diese Verbindungskanäle 26 werden als Flankenanschluss 27 bezeichnet.
2 zeigt einen Ausschnitt des zweiten Gehäuseteils 18b aus 1 mit den beiden Ringkanälen R3, R4 in einer weiteren geschnittenen perspektivischen Ansicht.
Dabei sind der zweite Hubring 14 und die zweite Verteilerplatte 16 nicht dargestellt. Es ist eine stufenförmige umlaufende Anlage 28 zu erkennen, in die die zweite Verteilerplatte 16 eingelegt wird. In der Anlage 28 sind die Mündungen einiger der insgesamt sechsunddreißig Verbindungskanäle 26 dargestellt. Jeder zweite Verbindungskanal 26 dient als Flankenanschluss 27. Die Schnittebene der 2 ist gegenüber derjenigen aus 1 derart geändert, dass ein als Flankenanschluss 27 dienender Verbindungskanal 26 und sein als 3/2-Wegeventil ausgebildetes Schieberventil 30 geschnitten dargestellt sind.
In dem in 2 gezeigten zweiten Gehäuseteil 18b sind achtzehn Flankenanschlüsse 27 mit dem jeweiligen Schieberventil 30 angeordnet. Über das Schieberventil 30 kann die momentan mit der zugeordneten Flanke in Wirkverbindung stehe Zylinder-Kolben-Einheit mit dem Hochdruck führenden Ringkanal R3, R4 verbunden und damit aktiviert werden, oder mit dem Niederdruck führenden Ringkanal R3, R4 verbunden und damit deaktiviert werden. Im Bereich des (in 1 gezeigten) ersten Gehäuseteils 18a sind weitere achtzehn Flankenanschlüsse 27 mit einem jeweiligen Schieberventil 30 angeordnet, über das die momentan mit der zugeordneten Flanke in Wirkverbindung stehe Zylinder-Kolben-Einheit entweder mit dem Hochdruck führenden Ringkanal R1, R2 verbunden oder mit dem Niederdruck führenden Ringkanal R1, R2 verbunden werden kann.
Die insgesamt sechsunddreißig Schieberventile 30 haben jeweils einen Ventilschieber 32, der verschiebbar in einer radialen Ventilbohrung ist, die im Gehäuseteil 18a, 18b vorgesehen ist. Jedes Schieberventil 30 hat einen am Außenumfang des Gehäuseteils 18b vorgesehen (nicht gezeigten) Elektromagneten zum Verschieben des Ventilschiebers 32.
Bei einer angenommen Drehrichtung des Radialkolbenmotors 1 werden alle Schieberventile 30, die mit einer als Rückführflanke dienenden Flanke verbunden sind, derart geschaltet, dass an dem Flankenanschluss 27 Niederdruck anliegt. Die Schieberventile 30, die mit einer als Arbeitsflanke dienenden Flanke verbunden sind, werden je nach gewünschter Betriebsstufe des Radialkolbenmotors 1 derart geschaltet, dass an einigen oder allen Flankenanschlüssen 27 Hochdruck anliegt, während an den übrigen Flankenanschlüssen 27 zur Niederdruckseite umgeschaltet werden. Damit ist es möglich, der Schluckvolumenstrom Q des Radialkolbenmotors 1 pro Umdrehung seines Zylinderblocks 4 mit einer Abstufung von 1/18 Q_1:1, 2/18 Q_1:1, 3/18 Q_1:1, 4/18 Q_1:1, 5/18 Q_1:1, 6/18 Q_1:1, 7/18 Q_1:1, 8/18 Q_1:1, 9/18 Q_1:1, 10/18 Q_1:1, 11/18 Q_1:1, 12/18 Q_1:1 13/18 Q_1:1, 14/18 Q_1:1, 15/18 Q_1:1, 16/18 Q_1:1, 17/18 Q_1:1, 18/18 Q_1:1 einzustellen, wobei Q_1:1 der maximale Schluckvolumenstrom (Nenn-Volumenstrom) der Radialkolbenmotors 1 ist. Damit kann der Radialkolbenmotor 1 in achtzehn verschiedenen Betriebsstufe beziehungsweise Gängen betrieben werden. Da alle sechsunddreißig Flankenanschlüsse 27 mit einem jeweiligen Schieberventil 30 ausgestattet sind, kommt ein Freilauf des Radialkolbenmotors 1 zu den achtzehn genannten Gängen hinzu.
Die 3 bis 5 zeigen jeweils einen Ausschnitt eines zweiten Gehäuseteils 118b; 218b; 318b eines zweiten, dritten und vierten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Radialkolbenmotors. Die drei Ausführungsbeispiele haben jeweils eine Schaltventilanordnung 130; 230; 330, die aus zwei getrennten Sitzventilen 134, 136 gebildet ist. Genauer gesagt steuert ein erstes Sitzventil 134 die Verbindung zwischen dem Ringkanal R4 und dem Flankenanschluss 27. Das zweite Sitzventil 136 steuert die Verbindung des anderen Ringkanals R3 des gleichen Gehäuseteils 118b; 218b; 318b mit demselben Flankenanschluss 27.
Die beiden Sitzventile 134, 136 sind in Patronenbauweise ausgeführte 2/2-Schalt-Wegeventile. Bei den drei Ausführungsbeispielen gemäß den 3 bis 5 ist die Patrone des ersten Sitzventils 134 in eine Aufnahmebohrung eingeschraubt, die sich axial zu einer (in den 3 bis 5 nicht gezeigten) Rotationsachse des Radialkolbenmotors erstreckt.
Beim zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist die Aufnahmebohrung des ersten Sitzventils 134 koaxial mit dem Flankenanschluss 27. Die Aufnahmebohrung des zweiten Sitzventils 136 erstreckt sich radial zur Rotationsachse zwischen dem ersten Sitzventil 134 und dem Flankenanschluss 27 und mündet in den Ringkanal R3. Es wird angenommen, dass der Ringkanal R4 mit der Hochdruckseite Ph und der Ringkanal R3 mit der Niederdruckseite Pl verbunden sind. Bei einer beispielhaft angenommenen Betriebsstufe soll der in 3 gezeigte Flankenanschluss 27 alle vorbeilaufenden Zylinder-Kolben-Einheiten mit Hochdruck Ph versorgen. Dazu öffnet das erste Sitzventil 134 und verbindet den an seinem Außenumfang angeordneten Ringkanal R4 über seinen mittleren zentralen Ausgangsanschluss mit dem Flankenanschluss 27. Dann umströmt das Druckmittel das zweite Sitzventil 136 an seinem Außenumfang und strömt zum Flankenanschluss 27.
Wenn bei einer anderen Betriebsstufe der in 3 gezeigte Flankenanschluss 27 mit der Niederdruckseite Pl des Radialkolbenmotors 1 verbunden werden soll, wird das erste Sitzventil 134 geschlossen und das zweite Sitzventil 136 geöffnet. Dazu wird ein Schließkörper des zweiten Sitzventils 136 radial nach innen gezogen, so dass eine Druckmittelverbindung vom Ringkanal R3 zum Flankenanschluss 27 geöffnet wird. Die Verbindung des Flankenanschlusses 27 mit der Niederdruckseite Pl wird dann vorgenommen, wenn entweder die zugeordnete Flanke als Rückführflanke dient, oder wenn die zugeordnete Flanke als Arbeitsflanke dient, die kraftlos geschaltet werden soll, um so das Schluckvolumen des Radialkolbenmotors 1 zu verringern.
Das dritte Ausführungsbeispiel gemäß 4 entspricht weitgehend dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 3, so dass im Folgenden nur auf die Unterschiede eingegangen wird. Die Aufnahmebohrungen der zweiten Sitzventile 136 sind zu den Aufnahmebohrungen des ersten Sitzventils 134 und zur (nicht gezeigten) Rotationsachse angestellt. Damit sind die Öffnungen der Aufnahmebohrungen der zweiten Sitzventile 136 bei deren Montage leichter zugänglich. Die Aufnahmebohrungen der ersten Sitzventile 134 sind exzentrisch zu den Flankenanschlüssen 27.
Beim vierten Ausführungsbeispiel gemäß 5 sind die ersten Sitzventile 134 prinzipiell vergleichbar mit denjenigen des zweiten Ausführungsbeispiels gemäß 3. Die Druckmittelverbindungen des Ringkanals R4 mit den ersten Sitzventilen 134 sind an deren Außenumfängen vorgesehen. Der Ringkanal R4 ist bei diesem Ausführungsbeispiel mit der Niederdruckseite Pl des Radialkolbenmotors 1 verbunden und ist daher gegenüber dem hochdruckführenden Ringkanal R3 vergrößert. Abweichend von den beiden vorhergehenden Ausführungsbeispielen gemäß den 3 und 4 sind auch die Druckmittelverbindungen zwischen den zweiten Sitzventilen 136 und dem zugeordneten Ringkanal R3 an den Außenumfängen der zweiten Sitzventile 136 angeordnet. Zwischen den beiden konzentrischen mittleren Anschlüssen der beiden Sitzventile 134, 136 und dem jeweiligen Flankenanschluss 27 ist ein jeweiliger verzweigter Kanal 338 vorgesehen.
Die Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Radialkolbenmotors 1 gemäß den 2 bis 4 haben neben dem gezeigten zweiten Gehäuseteil 18b einen nicht gezeigten ersten Gehäuseteil 18a, der prinzipiell dem zweiten Gehäuseteil 18b entspricht.
Alle gezeigten Ausführungsbeispiele der Radialkolbenmotoren 1 können insbesondere im Falle einer geringeren Anzahl von Nocken 15 dahingehend abgewandelt werden, dass die Verbindungskanäle 26 nur einseitig des Zylinderblocks 4 vorgesehen sind und dabei ihre Anzahl derjenigen der Flanken entspricht. Dann dienen alle Verbindungskanäle 26 als Flankenanschlüsse 27 und es entfallen die mit Verschlussstopfen 29 versehen Verbindungskanäle 26.
Um die Lagerkräfte, die Unwucht und die Schwankungen im Schluckvolumenstrom Q in den verschiedenen Gängen zu minimieren, werden bei allen der erfindungsgemäßen Radialkolbenmotor 1 bei Betriebsstufen mit drei oder einem Vielfachen von drei umgeschalteten Flankenanschlüsse 27 diese jeweils um 120° am Umfang der Hubkurve 14 verteilt angeordnet.
Offenbart ist eine Radialkolbenmaschine mit einem rotierenden Zylinderblock, in dem radial sternförmig Zylinder eingebracht sind, in denen ein jeweiliger Kolben geführt ist. In oder an einem ruhenden Gehäuse sind vorzugsweise achtzehn Nocken mit jeweils einer Arbeitsflanke und einer Rückführflanke angeordnet, die während einer Umdrehung des Zylinderblocks vorzugsweise achtzehn Hübe der Kolben bewirken oder ermöglichen. Jeder Flanke ist ein gehäusefester Flankenanschluss zugeordnet, mit dem die Zylinder beim Überfahren der Flanke verbunden sind. Erfindungsgemäß sind alle Flankenanschlüsse über eine jeweilige Schaltventilanordnung wahlweise mit einer Hochdruckseite und mit der Niederdruckseite der Radialkolbenmaschine verbindbar. Damit sind insbesondere die Flankenanschlüsse der als Arbeitsflanken dienenden Flanken je nach gewünschter Betriebsstufe zur Niederdruckseite umschaltbar, so dass das Verhältnis aus Umdrehungen und Volumenstrom der Radialkolbenmaschine in minimalen Stufen veränderbar ist. Neben den sich so ergebenden vorzugsweise achtzehn Betriebsstufen ist ein zusätzlicher Freilauf möglich, bei dem alle Flankenanschlüsse, die den als Arbeitsflanken dienenden Flanken zugeordnet sind, zur Niederdruckseite umgeschaltet werden.
Da bei einer Drehrichtungsumkehr des Zylinderblocks und bei einer Umkehr des Volumenstroms die Arbeitsflanken und die Rückführflanken an den Nocken wechseln, und da erfindungsgemäß allen Flanken Schaltventilanordnungen zugeordnet sind, sind auch nach einer derartigen Umkehr die vorzugsweise achtzehn Betriebsstufen und der zusätzliche Freilauf möglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4724742 [0003]
US 6050173 [0003]
EP 0102915 B1 [0004]

Claims

Hydrostatische Radialkolbenmaschine (1) mit einem rotierenden Zylinderblock (4), in dem radial sternförmig Zylinder (6) eingebracht sind, in denen ein jeweiliger Kolben geführt ist, wobei in oder an einem ruhenden Gehäuse (18a, 18b; 118b, 228b; 318b) mehrere [n] Nocken (15) mit jeweils einer ersten und einer zweiten Flanke angeordnet sind, die während einer Umdrehung des Zylinderblocks (4) mehrere [n] Hübe der Kolben bewirken oder ermöglichen, wobei jeder Flanke ein gehäusefester Flankenanschluss (27) zugeordnet ist, mit dem die Zylinder (6) bei einer Bewegung entlang der Flanke verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Flankenanschlüsse (27) über eine jeweilige Schaltventilanordnung (30; 130; 230; 220) wahlweise mit einer Hochdruckseite (Ph) und mit der Niederdruckseite (Pl) der Radialkolbenmaschine (1) verbindbar sind.
Hydrostatische Radialkolbenmaschine (1) nach Anspruch 1, wobei die Hockdruckseite (Ph) fest zugeordneten ersten Ringkanal (R1, R2, R3, R4) aufweist, und wobei die Niederdruckseite (Pl) fest zugeordneten zweiten Ringkanal (R1, R2, R3, R4) aufweist.
Hydrostatische Radialkolbenmaschine (1) nach Anspruch 2, wobei die Schaltventilanordnungen (30; 130; 230; 220) im Gehäuse (18a, 18b; 118b, 228b; 318b) zwischen den beiden Ringkanälen (R1, R2, R3, R4) einerseits und dem Flankenanschluss (27) andererseits angeordnet sind.
Hydrostatische Radialkolbenmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaltventilanordnungen von Schieberventilen (30) gebildet sind, die mit der Hochdruckseite (Ph) und der Niederdruckseite (Pl) und dem Flankenanschluss (27) verbunden sind.
Hydrostatische Radialkolbenmaschine (1) nach Anspruch 4, wobei jeweilige Ventilschieber der Schieberventile (30) radial zu einer Rotationsachse des Zylinderblocks (4) angeordnet sind.
Hydrostatische Radialkolbenmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Schaltventilanordnungen (130; 230; 220) jeweils von einem ersten und einem zweiten Sitzventil (134, 136) gebildet sind, wobei das erste Sitzventil (134) eine Verbindung des erstes Ringkanals (R1, R2, R3, R4) mit dem Flankenanschluss (27) steuert, und wobei das zweite Sitzventil (136) eine Verbindung des zweiten Ringkanals (R1, R2, R3, R4) mit dem Flankenanschluss (27) steuert.
Hydrostatische Radialkolbenmaschine (1) nach Anspruch 6, wobei ein Ventilkörper des ersten Sitzventils (134) axial zu einer Rotationsachse des Zylinderblocks (4) angeordnet ist.
Hydrostatische Radialkolbenmaschine (1) nach Anspruch 6 oder 7, wobei ein Ventilkörper des zweiten Sitzventils (136) radial zur Rotationsachse angeordnet ist.
Hydrostatische Radialkolbenmaschine (1) nach Anspruch 6 oder 7, wobei ein Ventilkörper des zweiten Sitzventils (136) zur Rotationsachse angestellt ist.
Hydrostatische Radialkolbenmaschine (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei bei einer Öffnung des ersten Sitzventils (134) die Verbindung des ersten Ringkanals (R1, R2, R3, R4) mit dem Flankenanschluss (27) über das geschlossene zweite Sitzventil (136) aufsteuerbar ist, wobei der Ventilkörper des zweiten Sitzventils (136) umströmt ist.
Hydrostatische Radialkolbenmaschine (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei zwischen den beiden Sitzventilen (134, 136) und dem Flankenanschluss (27) ein verzweigter Kanal (338) angeordnet ist.
Hydrostatische Radialkolbenmaschine (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei das Sitzventil (134, 136) in Patronenbauweise ausgeführt ist.
Hydrostatische Radialkolbenmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit achtzehn Nocken (15), die während einer Umdrehung des Zylinderblocks (4) achtzehn Hübe der Kolben bewirken oder ermöglichen.
Hydrostatische Radialkolbenmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine Twin-Maschine ist, deren Zylinder (6) in einem geteilten Zylinderblock (4) gleichmäßig auf zwei axial benachbarte Gruppen von Zylindern (6) verteilt sind, wobei die Zylinder (6) der beiden Gruppen zueinander in Umfangsrichtung versetzt sind.
Verfahren zum Betreiben einer hydrostatische Radialkolbenmaschine (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Flankenanschlüsse (27) abwechselnd als Arbeitsflankenanschlüsse und Rückführflankenanschlüsse dienen, und wobei zum Einstellen eines maximalen Hubvolumens (Q_1:1) kein Arbeitsflankenanschluss mit der Niederdruckseite (Pl) verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einstellen von (n – 1)/n des maximalen Hubvolumens (Q_1:1) ein Arbeitsflankenanschluss mit der Niederdruckseite (Pl) verbunden wird, und / oder zum Einstellen von (n – 2)/n des maximalen Hubvolumens (Q_1:1) zwei Arbeitsflankenanschlüsse mit der Niederdruckseite (Pl) verbunden werden, und / oder zum Einstellen von Hubvolumina im Bereich von (n – 3)/n bis 1/2 des maximalen Hubvolumens (Q_1:1) eine entsprechende Anzahl im Bereich von drei bis zur Hälfte aller Arbeitsflankenanschlüsse mit der Niederdruckseite (Pl) verbunden werden.
Verfahren zum Betreiben einer hydrostatische Radialkolbenmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Flankenanschlüsse (27) abwechselnd als Arbeitsflankenanschlüsse und Rückführflankenanschlüsse dienen, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einstellen von minimalem Hubvolumen (Q_1:1/n) nur ein Arbeitsflankenanschluss mit der Hochdruckseite (Ph) verbunden wird, und / oder zum Einstellen von 2/n des maximalen Hubvolumens (Q_1:1) zwei Arbeitsflankenanschlüsse mit der Hochdruckseite (Ph) verbunden werden, und / oder zum Einstellen im Bereich von 3/n bis 1/2 des maximalen Hubvolumens (Q_1:1) eine entsprechende Anzahl von drei bis zur Hälfte aller Arbeitsflankenanschlüsse mit der Hochdruckseite (Ph) verbunden werden.