DE102017210857A1

DE102017210857A1 - Hydrostatische Verdrängermaschine, Kolben für die hydrostatische Verdrängermaschine, sowie Zylindertrommel für die hydrostatische Verdrängermaschine

Info

Publication number: DE102017210857A1
Application number: DE102017210857.6A
Authority: DE
Inventors: Rene Scheerer; Martin Zug
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-06-28
Filing date: 2017-06-28
Publication date: 2019-01-03
Also published as: US20190003466A1; US10670000B2; CN109139449B; CN109139449A

Abstract

Offenbart ist eine hydrostatische Verdrängermaschine, insbesondere eine hydrostatische Axialkolbenmaschine, mit einer Zylindertrommel mit wenigstens einem Zylinder, in dem ein Kolben längsverschieblich aufgenommen ist, der mit einem Stützabschnitt unmittelbar oder mittelbar an einer schiefen Ebene der Verdrängermaschine abgestützt ist, wobei ein Außenmantelflächenabschnitt des Kolbens mit einem Innenmantelflächenabschnitt des Zylinders in Anlage ist. Des Weiteren sind offenbart eine Zylindertrommel, sowie ein Kolben für die Verdrängermaschine.

Description

Die Erfindung betrifft eine hydrostatische Verdrängermaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, einen Kolben für die Verdrängermaschine gemäß Patentanspruch 13, sowie eine Zylindertrommel für die Verdrängermaschine gemäß Patentanspruch 14.
Hydrostatische Verdrängermaschinen wandeln hydraulische Leistung in Form eines Produktes aus Druckmittelvolumenstrom und Druck in mechanische Leistung in Form eines Produktes aus Drehmoment und Drehzahl, oder umgekehrt. Zur Leistungswandlung bedarf es hydrostatischer Arbeitsräume veränderlichen Volumens, die von Kolben begrenzt sind. Hierbei gleitet ein in einem Zylinder geführter Kolben entweder an einer schiefen Ebene ab oder er ist mit der schiefen Ebene kugelgelenkig verbunden. Zugrunde liegt beiden Varianten die Abstützung des Kolbens an der schiefen Ebene. Dieses Prinzip gilt beispielsweise für Radialkolbenmaschinen, für Axialkolbenmaschinen in Schrägscheiben- oder Schrägachsenbauweise, für Taumelscheibenmaschinen oder für Flügelzellenmaschinen. Für letztgenannte gilt der Sonderfall, dass die Verdrängerarbeit nicht durch den Hub des Kolbens in seinem Zylinder, sondern durch die Volumenänderung einer Verdrängerkammer, die sich radial zwischen einer Zylindertrommel und einem dazu exzentrischen Außenring, sowie umfänglich zwischen zwei in der Zylindertrommel geführten Kolben erstreckt, erfolgt. Bei Radialkolbenmaschinen ist die schiefe Ebene von einer Hubkurve, genauer gesagt Hubfläche, gebildet, entlang der der Kolben abgleitet, was mit periodischen Arbeitshüben verbunden ist. Eine Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise hat eine rotierende Zylindertrommel, in deren Zylinderbohrungen Arbeitskolben aufgenommen sind, die andererseits an einer Schrägscheibe gleitend abgestützt sind. Im Falle der in Schrägachsenbauweise ausgestalteten Axialkolbenmaschine sind die genannten Arbeitskolben mit einem Endflansch einer zur Drehachse der Zylindertrommel angestellten Triebwelle kugelgelenkig verbunden, sodass eine drehfeste Verbindung zwischen Zylindertrommel und Schrägachse gegeben ist.
In jedem Fall müssen die Kolben und die Zylinder aufgrund der schiefen Ebene neben den axialen, in Richtung der Kolbenlängsachse wirkenden Kraft, auch eine Querkraft, quer oder radial zur Kolbenlängsachse aufnehmen. Dies führt zu einer hohen Beanspruchung der Mantelflächen des Kolbens und der zugehörigen Zylinder, insbesondere in einem Bereich des Austritts des Kolbens aus dem Zylinder und in einem Bereich des permanent in dem Zylinder geführten Endabschnittes des Kolbens. Hier treten zwischen den tribologischen Partnern Kolben und Zylinder hohe Festkörperkontaktpressungen auf. Die genannten Extrembereiche der Anlage werden auch als Führungsausläufe bezeichnet.
Derart hohe Festkörperkontaktpressungen können zu einem hohen Verschleiß und Leistungsverlusten führen. Wird dem Verschleiß, beispielsweise durch hochwertige Werkstoffe und / oder Wärmebehandlung und -beschichtung entgegengetreten, so ergeben sich hohe Kosten für die Verdrängermaschine. Wird zur Verringerung der Festkörperkontaktpressungen hingegen eine verlängerte Anlage, das heißt eine größere Führungslänge gewählt, so kommt es zu einem erhöhten Bauraumbedarf.
Vorbekannte Lösungen sind Führungsausläufe von Kolben oder Zylindern, die im Bereich ihrer Auslaufkanten steif oder massiv ausgeführt sind. Nachteilig damit verbunden ist ein hohes Gewicht, ein erhöhter Bauraumbedarf und ggf. höhere Kosten.
Um die Festkörperkontaktpressung an den Führungsausläufen zu verringern, schlägt die Patentschrift DE 10 2006 014 222 B4 einen Arbeitskolben vor, der in Abhängigkeit einer Erwärmung von einer zylindrischen Form in eine ballige Form übergeht. Hierzu weist der Arbeitskolben einen hohlen Innenraum auf, in den ein Dehnkörper mit einem höheren Temperaturausdehnungskoeffizient als der Arbeitskolben eingepasst ist. Wird der Arbeitskolben im Betrieb aufgrund von Reibung wärmer, so dehnt sich der Dehnkörper aus und drückt die Außenmantelfläche des Arbeitskolbens in eine ballige Form nach außen. Auf diese Weise wird die Belastung im Bereich der Führungsausläufe weg von hoher Flächenpressung hin zu einem größeren Flächenkontakt und einer geringeren Flächenpressung verändert. Nachteilig hierbei ist der hohe vorrichtungs- und fertigungstechnische Aufwand für den Arbeitskolben, sowie eine vergleichsweise schwierige Auslegung des Dehnkörpers und dessen Abstimmung auf den Arbeitskolben. Zudem arbeitet diese Lösung nur in einem engen Betriebsbereich zufriedenstellend, da die sich ergebende Balligkeit die querkraftbedingte Verformung nur bei der Auslegungstemperatur kompensieren kann.
Die Patentschrift DE 196 10 595 C1 schlägt vor, am Kolben im Bereich der Führungsausläufe konvexe Anfasungen oder Verrundungen anzubringen, was im Prinzip die Idee der Balligkeit aufgreift. Diese Anfasungen oder Verrundungen weisen einen stetig veränderten Krümmungsradius auf, was unter Einwirken der besprochenen Querkraft zu einem flächigeren Kontakt der beiden tribologischen Partner im Bereich der Führungsausläufe führt. Nachteilig hieran ist, dass bei der Fertigung der Außenmantelfläche des Arbeitskolbens von der einfach zu fertigenden, zylindrischen Form abgewichen werden muss, was einen erhöhten Fertigungsaufwand mit sich bringt. Zudem ist diese Art von Balligkeit, unabhängig von der tatsächlich wirkenden Querkraft, „fest“ eingestellt, wodurch auch diese Lösung die Flächenkontaktpressung nur in engen Betriebsbereichen optimal reduzieren kann.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine hydrostatische Verdrängermaschine zu schaffen, die besser gegen Verschleiß geschützt ist. Weitere Aufgaben sind, einen Kolben, sowie eine Zylindertrommel für diese Verdrängermaschine zu schaffen, über die jeweils der Verschleiß im Bereich der Führungsausläufe verringert ist.
Die erste Aufgabe wird gelöst durch eine hydrostatische Verdrängermaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, die zweite Aufgabe durch einen Kolben mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 und die dritte Aufgabe durch eine Zylindertrommel mit den Merkmalen des Patentanspruches 14.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen beschrieben.
Eine hydrostatische Verdrängermaschine hat eine Zylindertrommel mit wenigstens einem Zylinder, in dem ein Kolben längs verschiebbar aufgenommen ist, der einen Stützabschnitt hat, der unmittelbar oder mittelbar an einer schiefen Ebene der Verdrängermaschine abgestützt ist. Über den Kolben und dessen Abstützung an der schiefen Ebene ist somit insbesondere ein Schubgelenk zwischen der Zylindertrommel und der schiefen Ebene ausgebildet. Die Abstützung kann insbesondere gleitend oder alternativ insbesondere drehfest sein. Dabei ist ein Außenmantelflächenabschnitt des Kolbens mit einem Innenmantelflächenabschnitt des Zylinders in Anlage, insbesondere in Führungsanlage. Erfindungsgemäß ist in wenigstens einem - insbesondere auf die Hubrichtung des Kolbens bezogenen - Endbereich der Anlage am Kolben oder an der Zylindertrommel oder an Beiden, eine Schwächung vorgesehen, über die eine Steifigkeit der mit der Schwächung verbundenen Mantelfläche oder eine Steifigkeit einer zwischen der Schwächung und der Mantelfläche angeordneten Wandung bei Belastung mit einer Kraft quer zur Hubrichtung, insbesondere bei Belastung mit einer Quer- oder Radialkraft, verringert ist.
Durch die geringere Steifigkeit im Endbereich der Anlage, der auch als Endbereich einer Führung des Kolbens im Zylinder oder als Führungsauslauf bezeichnet werden kann, vergrößert sich bei gegebener, angreifender Querkraft eine Verformung des geschwächten Mantelflächenabschnittes. In anderen Worten ist die Mantelfläche an dieser Stelle weniger starr und passt sich der gegenüber liegenden Mantelfläche durch ihre großflächigere Verformung besser an. In der Folge nimmt eine Festkörperkontaktpressung in diesem Bereich ab. In der Folge sind dort eine Reibung und insbesondere ein Verschleiß zwischen den beiden Reibungspartnern Kolben und Zylinder minimiert. Damit geht einher, dass die Verdrängermaschine kostengünstiger herstellbar ist, da geringere Kosten für hochfeste Werkstoffe, Wärmebehandlung und Beschichtung anfallen. Auch kann auf diese Weise eine Erweiterung des Betriebsparameterbereiches beispielsweise in Richtung höherer Leistungsdichte der Verdrängermaschine erfolgen. Aufgrund des geringeren Verschleißes muss weniger Material eingesetzt werden, was zu einem geringeren Gewicht der Verdrängermaschine führt und wodurch zudem ein Bauraumvorteil erzielt werden kann, was in einer erhöhten Leistungsdichte der Verdrängermaschine resultieren kann. Durch die verbesserte Verformung vergrößert sich ein Flächenbereich zwischen Arbeitszylinder und Arbeitskolben, an welchem sowohl ein hydrostatisches, ein hydrodynamisches als auch ein auf Quetschöleffekten basierendes Druckfeld wirken. Dadurch ist gegenüber dem Stand der Technik dort die Festkörperreibung zwischen den Beiden reduziert und stattdessen wirkt auf diesem größeren Flächenbereich eine bedeutend geringere Flüssigkeitsreibung. Dies hat die Auswirkung, dass ein höherer Wirkungsgrad erreicht werden kann.
Als mögliche Endbereiche der Anlage oder Führungsausläufe sind folgende Bereiche des Kolbens und des Zylinders zu nennen, in denen jeweils die Schwächung angeordnet sein kann. Dabei sind die Bezüge „innen“ und „außen“ auf die Hubbewegung des Kolbens bezogen, wobei „innen“ in Einfahrrichtung des Kolbens und „außen“ in Ausfahrrichtung des Kolbens definiert ist: Ein äußerer Führungsauslauf des Zylinders, beispielsweise eine äußere Zylinderkante oder äußere Mündung des Zylinders, die vom Kolben überfahrbar ist oder aus der der Kolben aus dem Zylinder austritt; Ein innerer Führungsauslauf des Zylinders, beispielsweise eine im Zylinder angeordnete, innere Zylinderkante; Ein äußerer Führungsauslauf des Kolbens, beispielsweise eine äußere Kolbenkante oder ein äußerer Kolbenabschnitt, die oder der am wenigsten tief in den Zylinder eintaucht oder die oder der nicht in den Zylinder eintaucht; Ein innerer Führungsauslauf des Kolbens, beispielsweise eine innere Kolbenkante oder ein innerer Kolbenabschnitt.
Somit ist auf diese Weise pro Zylinder und Kolben ein, zwei, drei oder bis zu vier Führungsausläufe geschwächt ausgebildet. Dabei sind beliebige Kombinationen der vier genannten, geschwächten Führungsausläufe möglich.
Als mögliche Verdrängermaschinen sind zu nennen: Eine Radialkolbenmaschine, aus deren Zylindertrommel der Kolben radial austritt, wobei die schiefe Ebene von einer radial zum Rotor angeordneten, welligen Hubkurve oder Hubfläche gebildet ist, an der der Kolben gleitend oder rollend abgestützt ist; Eine Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise, aus deren rotierender Zylindertrommel der Kolben axial austritt, wobei die schiefe Ebene von einer stehenden Schrägscheibe gebildet ist, an der der Kolben gleitend abgestützt ist; Eine Axialkolbenmaschine in Schrägachsenbauweise, aus deren rotierender Zylindertrommel der Kolben axial austritt, wobei die schiefe Ebene von einem Flansch einer zur Drehachse der Zylindertrommel angestellten, rotierenden Schrägachse gebildet ist, wobei der Kolben mit dem Flansch drehfest verbunden ist; Eine Taumelscheibenmaschine, aus deren stehender Zylindertrommel der Kolben axial austritt, wobei die schiefe Ebene von einer rotierenden Schrägscheibe gebildet ist, an der der Kolben gleitend abgestützt ist; Eine Flügelzellenmaschine, aus deren Zylindertrommel der Kolben radial austritt, wobei die schiefe Ebene von einem exzentrisch oder doppeltexzentrisch zum Rotor ausgebildeten Hubring gebildet ist, an der der Kolben gleitend abgestützt ist. Dabei ist ein hydrostatischer Arbeitsraum - anders als bei den vorgenannten Verdrängermaschinen - nicht in der Zylindertrommel vom Zylinder und seinem Kolben begrenzt, sondern er ist radial und umfänglich von zwei Kolben, einer Außenseite der Zylindertrommel und einer Innenseite des Hubrings begrenzt. Die Arbeit der Flügelzellenmaschine resultiert, anders als bei den vorgenannten Maschinen, nicht aus der Hubarbeit ihrer Kolben, sondern aus der Hubarbeit der zueinander exzentrischen Mantelflächen der Zylindertrommel und des Hubrings.
Eine Weiterbildung der Verdrängermaschine ist als hydrostatische Kolbenmaschine, insbesondere als Radialkolbenmaschine, Axialkolbenmaschine oder Taumelscheibenmaschine ausgestaltet und hat eine Zylindertrommel mit wenigstens einem Arbeitszylinder, in dem ein Arbeitskolben längs verschiebbar aufgenommen ist. Im Grunde ist der vorher genannte Kolben nun ein Arbeitskolben, über den - anders als bei der Flügelzellenmaschine - die Leistungswandlung erfolgt. Mit einem Stützabschnitt ist der Arbeitskolben dabei unmittelbar oder mittelbar an einer schiefen Ebene der Kolbenmaschine abgestützt, wodurch eine Rotationsbewegung der schiefen Ebene in einen Hub des Arbeitskolbens (Pumpenbetrieb), oder umgekehrt, ein Hub des Arbeitskolbens in eine Rotation der schiefen Ebene (Motorbetrieb) übersetzbar ist. Die Kolbenmaschine ist insbesondere eine Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise, wobei die schiefe Ebene insbesondere eine Schrägscheibe ist, an der der Stützabschnitt gleitend abgestützt ist. Alternativ kann die Kolbenmaschine eine Axialkolbenmaschine in Schrägachsenbauweise sein, wobei die schiefe Ebene ein Flansch einer gegen den Arbeitskolben und den Arbeitszylinder angestellten Schrägachse ist, an dem der Stützabschnitt drehfest abgestützt ist. Alternativ kann die Kolbenmaschine eine Radialkolbenmaschine sein, wobei die schiefe Ebene eine umfängliche Hubfläche ist, an der der Stützabschnitt gleitend oder rollend abgestützt ist. Ein Außenmantelflächenabschnitt des Arbeitskolbens ist mit einem Innenmantelflächenabschnitt des Arbeitszylinders in Anlage. Außerhalb dieser Abschnitte geraten die beiden Mantelflächen insbesondere nicht miteinander in Anlage. Erfindungsgemäß ist in wenigstens einem Endbereich dieser Anlage am Arbeitskolben oder an der Zylindertrommel oder an beiden eine Schwächung vorgesehen, über die eine Steifigkeit der mit dieser Schwächung verbundenen Mantelfläche bei Belastung einer Quer- oder Radialkraft verringert ist.
Durch die geringere Steifigkeit im Endbereich der Anlage, der auch als Endbereich einer Führung des Arbeitskolbens im Arbeitszylinder oder als Führungsauslauf bezeichnet werden kann, vergrößert sich bei gegebener, angreifender Querkraft eine Verformung des geschwächten Mantelflächenabschnittes. In anderen Worten ist die Mantelfläche an dieser Stelle weniger starr und passt sich der gegenüber liegenden Mantelfläche durch ihre großflächigere Verformung besser an. In der Folge nimmt eine Festkörperkontaktpressung in diesem Bereich ab. In der Folge ist dort ein Verschleiß zwischen den beiden Reibungspartnern Arbeitskolben und Arbeitszylinder minimiert. Damit geht einher, dass die Kolbenmaschine kostengünstiger herstellbar ist, da geringere Kosten für hochfeste Werkstoffe, Wärmebehandlung und Beschichtung anfallen. Auch kann auf diese Weise eine Erweiterung des Betriebsparameterbereiches beispielsweise in Richtung höherer Leistungsdichte der Kolbenmaschine erfolgen. Als Gesamtauswirkung kann durchaus auch ein höherer Wirkungsgrad erreicht werden, da durch einen geringeren Materialeinsatz ein geringeres Gewicht der Kolbenmaschine realisierbar ist. Da wie gesagt aufgrund des geringeren Verschleißes weniger Material einzusetzen ist, kann ein Bauraumvorteil erzielt werden, was in einer erhöhten Leistungsdichte der Kolbenmaschine resultieren kann. Durch die verbesserte Verformung vergrößert sich auch ein Bereich, an welchem ein hydrodynamisches Druckfeld zwischen Arbeitszylinder und Arbeitskolben wirkt.
In einer Weiterbildung ist der wenigstens eine Endbereich eine Mündung des Arbeitszylinders an der Zylindertrommel, aus der der Arbeitskolben in Richtung der schiefen Ebene austritt. Alternativ oder ergänzend kann der wenigstens eine Endbereich in entgegengesetzter Richtung innerhalb des Arbeitszylinders angeordnet sein, dort, wo der Arbeitskolben insbesondere mittel, submaximal oder maximal eingefahren ist. Am Arbeitskolben hingegen kann der wenigstens eine Endbereich von einem Endabschnitt gebildet sein, der im Arbeitszylinder angeordnet ist und/oder von einem Endabschnitt gebildet sein, der aus dem Arbeitszylinder hinaus ragt. Natürlich kann die erfindungsgemäße Schwächung an mehreren derartigen Endbereichen in Kombination vorgesehen sein.
In einer Weiterbildung ist die wenigstens eine Schwächung ausgebildet, indem sie ein vom sie umgebenden Material abweichendes Material mit anderen Materialeigenschaften, insbesondere mit einem geringeren E-Modul, aufweist.
In einer Weiterbildung ist die wenigstens eine Schwächung ausgebildet, indem sie eine vom sie umgebenden Material abweichende thermische Behandlung aufweist.
In einer Weiterbildung ist die wenigstens eine Schwächung eine topologische, beispielsweise in Form einer Kerbe. Insbesondere letztgenannte Schwächung ist mit einfachen fertigungstechnischen Mitteln und sehr gezielt einbringbar.
Natürlich können verschiedene Arten der Schwächung - abweichendes Material, abweichende thermische Behandlung oder Topologie - miteinander kombiniert werden, sodass beispielsweise verschiedene der Führungsausläufe verschiedenartige Schwächungen aufweisen.
In einer Weiterbildung ist zwischen der Schwächung und der Mantelfläche eine Wandung ausgebildet. Über eine Dicke der Wandung in Quer- oder radialer Richtung und eine Länge der Wandung in Hubrichtung kann dabei die Schwächung definiert eingestellt sein.
In einer Weiterbildung ist die Schwächung progressiv ausgebildet, indem sich die Wandung, insbesondere in Hubrichtung, insbesondere in Richtung des Führungsauslaufs, verjüngend erstreckt. Die Verjüngung kann dabei stetig oder stufig ausgestaltet sein. Sie kann insbesondere einen parabelförmigen Verlauf aufweisen.
Besonders einfach ist die Verdrängermaschine, insbesondere Kolbenmaschine gestaltet, wenn die eine Mantelfläche oder beide Mantelflächen, trotz vorhandener Schwächung, zylindrisch ausgebildet ist oder sind. Dann kann verglichen mit dem Stand der Technik auf eine aufwendige ballige Fertigung beispielsweise der Außenmantelfläche des Kolbens, insbesondere Arbeitskolbens verzichtet werden. Die zylindrische Fertigung der Außenmantel- und Innenmantelfläche erweist sich als wenig aufwendig.
In Endbereichen der Mantelflächen und / oder der Anlage können die Mantelflächen die Schwächung unterstützende Fasen oder Verrundungen oder Bombierungen aufweisen.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Schwächung ist, dass eine Verformung der von ihr geschwächten Mantelfläche lastabhängig ist.
In einer Weiterbildung erstreckt sich die Schwächung ausgehend von einer zur Mantelfläche abgewinkelten Ebene oder Fläche, insbesondere von einer Stirnebene oder Stirnfläche, in Hubrichtung in den Arbeitskolben oder in die Zylindertrommel hinein. Als Stirnfläche des Arbeitskolbens sind hier beispielsweise zu nennen der bereits erwähnte maximal in den Arbeitszylinder eintauchbare Endabschnitt, und demgegenüber liegend, der aus dem Arbeitszylinder herausragende Endabschnitt des Arbeitskolbens, an dem beispielsweise die Außenmantelfläche endet. Am letztgenannten Endabschnitt ansetzen kann beispielsweise der Stützabschnitt, der in einer bevorzugten Weiterbildung von einem Kugelkopf des Arbeitskolbens gebildet ist, über den dieser an der schiefen Ebene (je nach Bauweise der Kolbenmaschine Schrägscheibe, Flansch der Schrägachse, Hubfläche) abgestützt ist. Für den Arbeitszylinder ist die genannte Stirnebene oder Stirnfläche beispielsweise von einer Stirnfläche der Zylindertrommel gebildet, in die der Arbeitszylinder beispielsweise als Zylinderbohrung eingebracht ist. Diese Stirnfläche bildet den Mündungsbereich des oder der Arbeitszylinder, aus dem der jeweilige Arbeitskolben austritt. Alternativ oder ergänzend kann die Stirnfläche des Arbeitszylinders innerhalb des Arbeitszylinders in einem Bereich angeordnet sein, in dem der Arbeitskolben sein mittleres, sein submaximales oder sein maximales Einfahren aufweist. Hier kann die Stirnfläche beispielsweise als Hinterschnitt in Form einer Ringstirnfläche vorgesehen sein.
In einer Weiterbildung, insbesondere der topologischen Schwächung, weist diese eine Ausnehmung auf. Die Ausnehmung kann dabei eine Bohrung, insbesondere eine Sacklochbohrung, eine Fräsung, eine Nut, ein Spalt oder dergleichen sein. Durch die Topologie der Schwächung ist mit einfachen Mitteln die Lastabhängigkeit der Verformung der so geschwächten Mantelfläche beeinflussbar.
In einer Weiterbildung ist die Schwächung koaxial, insbesondere konzentrisch zu einer Mittelachse des Kolbens oder des Zylinders oder alternativ dazu exzentrisch zur Mittelachse. Für den Fall des Kolbens ist beispielsweise eine koaxiale, konzentrische Schwächung mittels einer zentralen Bohrung in dem im Zylinder angeordneten Endabschnitt des Kolbens vorsehbar. In anderen Worten ist der Kolben an dieser Stelle hohl. Erfindungsgemäß kann die Schwächung verstärkt werden, indem an der sich so ergebenden Ringstirnfläche am Kolben zusätzlich eine umfängliche Nut und / oder eine innenumfängliche Fase ausgebildet ist. Exzentrisch kann die Schwächung am Kolben beispielsweise sein, wenn an einer der beiden genannten Stirn- oder Ringstirnflächen eine oder mehrere Bohrungen gezielt gesetzt sind. Gleiches kann an der die Mündung des Zylinders umgebenden Stirnfläche der Zylindertrommel vorgesehen sein.
In einer alternativen oder ergänzenden Weiterbildung erstreckt sich die Schwächung, bezogen auf eine Mittelachse des Kolbens oder des Zylinders oder bezogen auf eine Ebene, die von der Drehachse der Zylindertrommel und einer Kolbenachse aufgespannt wird, asymmetrisch oder symmetrisch. Durch die asymmetrische Schwächung kann beispielsweise gezielt auf Fälle eingegangen werden, in denen die Verdrängermaschine in nur einem oder zwei Betriebsquadranten betrieben wird, in denen die aus dem Hochdruck der Verdrängermaschine resultierende, auf den Kolben wirkende Querkraft stets die gleiche Richtung aufweist. Die symmetrische Variante hingegen empfiehlt sich bei Betrieb einer Verdrängermaschine, in dem die Richtung der aus dem Hochdruck resultierenden Querkraft wechselt. Dies ist insbesondere für eine Verdrängermaschine im Vierquadrantenbetrieb bei besonderen Quadrantenwechseln der Fall.
Die Schwächung kann beispielsweise eine Bohrung, insbesondere eine Sacklochbohrung sein oder aufweisen. Diese Schwächung kann insbesondere koaxial, insbesondere konzentrisch oder exzentrisch (wie beschrieben) ausgebildet sein.
Eine Weiterbildung mit koaxialer, insbesondere konzentrischer Schwächung ist beispielsweise eine sich umfänglich erstreckende Nut. Die Nut kann dabei teilumfänglich (asymmetrische Schwächung) oder vollumfänglich (symmetrische Schwächung) ausgebildet sein.
Grundsätzlich sind auch Kombinationen mehrerer teilumfänglicher, voneinander getrennter Schwächungen oder mehrerer vollumfänglicher, miteinander verbundener Schwächungen möglich.
Ein erfindungsgemäßer Kolben, insbesondere Arbeitskolben, für eine hydrostatische Verdrängermaschine, insbesondere Kolbenmaschine, insbesondere eine hydrostatische Axialkolbenmaschine, die gemäß wenigstens einem Aspekt der vorangegangenen Beschreibung ausgebildet ist, hat einen Außenmantelflächenabschnitt, der in Anlage mit einem Innenmantelflächenabschnitt eines Zylinders, insbesondere Arbeitszylinders der Verdrängermaschine bringbar ist. In den Zylinder ist der Kolben in Hubrichtung verschiebbar aufnehmbar. Der Kolben hat zudem einen Stützabschnitt zum mittelbaren oder unmittelbaren Abstützen an einer schiefen Ebene der Verdrängermaschine (je nach oben genannter Bauart Schrägscheibe, Flansch einer Schrägachse, Hubfläche oder Außenring). Erfindungsgemäß ist bezogen auf die Hubrichtung in einem Bereich wenigstens eines Endabschnittes des Außenmantelflächenabschnittes eine Schwächung ausgebildet. Über diese ist eine Steifigkeit dieses Endabschnittes bei Belastung mit einer Quer- oder Radialkraft verringert. Vorteil hierbei ist, dass der erfindungsgemäße Arbeitskolben in eine bestehende Verdrängermaschine einsetzbar oder austauschbar ist. Mit geringem Aufwand ist somit ein bestehendes System adaptierbar, wobei der Verschleiß zwischen dem Kolben und dem Zylinder der Verdrängermaschine auf geschilderte Weise verringerbar ist und sogar ein Betriebsparameterbereich der Verdrängermaschine erweiterbar ist.
Eine erfindungsgemäße Zylindertrommel für eine hydrostatische Verdrängermaschine, insbesondere Kolbenmaschine, insbesondere eine hydrostatische Axialkolbenmaschine, die gemäß wenigstens einem Aspekt der vorangegangenen Beschreibung ausgebildet ist, hat wenigstens einen Zylinder, insbesondere Arbeitszylinder, in dem ein Kolben, insbesondere Arbeitskolben der Verdrängermaschine in Hubrichtung verschiebbar aufnehmbar ist. Dabei kann es sich selbstverständlich um den erfindungsgemäßen Kolben, alternativ aber auch um einen herkömmlichen Kolben handeln. Der Kolben ist mit einem Stützabschnitt an einer schiefen Ebene der Verdrängermaschine abstützbar. Erfindungsgemäß ist der Zylinder der Zylindertrommel mit einem Innenmantelflächenabschnitt versehen, der zur Anlage an einem Außenmantelflächenabschnitt des Kolbens vorgesehen ist. Dabei ist zur bereits vielfach besprochenen Verringerung der Steifigkeit in einem Bereich wenigstens eines Endabschnittes des Mantelflächenabschnittes eine Schwächung ausgebildet. Diese führt dazu, dass die Steifigkeit des Endabschnittes bei Belastung mit einer Quer- oder Radialkraft verringert ist. Auf eine erneute Nennung der Vorteile, die die erfindungsgemäße Schwächung mit sich bringt, sei hier verzichtet.
Die erfindungsgemäße Schwächung kann auf jeglichen Kolben und seinen Zylinder, in dem er geführt ist, angewendet werden. Noch allgemeiner formuliert kann sie auf jegliches Schubgelenk angewendet werden, das eine Führungselement (Zylinder) und ein darin längsverschieblich geführtes Hubelement (Kolben) aufweist. Insbesondere sind hier beispielsweise ein Zylinder und ein Kolben einer hydrostatischen Verstelleinrichtung der genannten Verdrängermaschine zu nennen. Die Anmelderin behält sich vor, ein Patentbegehren auf ein derart geschwächtes Schubgelenk, insbesondere auf eine derart geschwächte Verstelleinrichtung zu richten.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen hydrostatischen Axialkolbenmaschine, mehrere Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Zylindertrommel und eines erfindungsgemäßen Arbeitskolbens sind in den Zeichnungen dargestellt. Anhand der Figuren dieser Zeichnungen wird die Erfindung nunmehr erläutert.
Es zeigen:

1 in einem Längsschnitt eine hydrostatische Axialkolbenmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel,
2 in einer perspektivischen Ansicht ein erstes Ausführungsbeispiel einer Zylindertrommel,
3 in einer perspektivischen Ansicht ein zweites Ausführungsbeispiel einer Zylindertrommel,
4a bis 4d in einer jeweiligen Detailansicht ein drittes bis sechstes Ausführungsbeispiel einer Zylindertrommel, sowie ein zweites und drittes Ausführungsbeispiel eines Arbeitskolbens,
5a bis 5c in einem Längsschnitt ein siebtes bis neuntes Ausführungsbeispiel einer Zylindertrommel, und 6a bis 6e in einem jeweiligen Längsschnitt ein viertes bis achtes Ausführungsbeispiel eines Arbeitskolbens.

1 zeigt eine hydrostatische Axialkolbenmaschine 1 in Schrägscheibenbauweise. Diese hat ein Gehäuse 2 mit einem topfförmigen Gehäuseteil 4, welches von einem Gehäusedeckel 6, der hydraulische Anschlüsse (nicht dargestellt) aufweist, verschlossen ist. Im Gehäuse 2 ist eine Triebwelle 8 drehbar gelagert, wobei die Lagerung zum einen über ein Wälzlager 10 an einem Gehäuseboden 12 des Gehäuseteils 4 und andererseits über ein Wälzlager 14 am Gehäusedeckel 6 erfolgt. Drehfest mit der Triebwelle 8 verbunden ist eine Zylindertrommel 16, die auf einem konzentrisch zu einer Drehachse 18 angeordneten Teilkreis 20 mehrere Zylinderbohrungen oder Arbeitszylinder 22 aufweist, in denen jeweils ein Arbeitskolben 24 längsverschieblich angeordnet ist. Die Arbeitskolben 24 ragen jeweils mit einem Hals und einem daran anschließenden Kolbenkopf 26 aus dem Arbeitszylinder 22 heraus, wobei der Kolbenkopf 26 in einem Gleitschuh 28 schwenkbar aufgenommen ist. Letztgenannter ist gleitend an einer Schrägscheibe 30 abgestützt. Diese ist wiederum an einer Schwenkwiege 32, die verschwenkbar im Gehäuse 2 gelagert ist, ausgebildet.
Ein Schwenkwinkel der Schwenkwiege 32 ist über eine hydrostatische Verstelleinrichtung 34 hydraulisch verstellbar. Entgegen der Verstelleinrichtung 34 wirksam greift an der Schwenkwiege 32 eine Rückstelleinrichtung in Form einer Feder 36 an. Hinzu kommt ein aus den Triebwerkskräften resultierendes Rückstellmoment. Diese lenkt die Schrägscheibe im drucklosen Betriebszustand, beispielsweise beim Anfahren, und bei unwirksamer Verstelleinrichtung in Richtung eines maximalen Schwenkwinkels aus.
Über die Arbeitskolben 24 sind in den Arbeitszylindern 22 hydrostatische Arbeitsräume 38 begrenzt. Diese weisen an einer von der Schrägscheibe 30 abgewandten Stirnseite der Zylindertrommel 16 jeweils eine Öffnung 40 auf, wobei letztgenannte Stirnseite in Anlage mit einer gehäusefesten Steuerscheibe 42 ist. Diese weist Durchgangsausnehmungen in Form von Drucknieren 44 auf, die jeweils in steter Druckmittelverbindung mit einem der hydrostatischen Arbeitsanschlüsse des Gehäusedeckels 6 (nicht dargestellt) sind. Weitere Ausführungen zum prinzipiellen Aufbau der Axialkolbenmaschine 1 sind entbehrlich, da diese Technologie hinreichend aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Im Betrieb der Axialkolbenmaschine 1, angenommen sei ein Pumpenbetrieb, erfolgt die Übertragung eines Drehmoments an einen Wellenstumpf 46 der Triebwelle 8. Diese gerät in Drehung und die Zylindertrommel 16 dreht mit. Ist die Schrägscheibe 32, wie dargestellt, aus einer Neutrallage ausgeschwenkt, so wird den Arbeitskolben 24 bei rotierender Triebwelle 8 ein Arbeitshub aufgeprägt, dessen Totpunkte in 1 oben und unten von den dargestellten Arbeitskolben 24 gezeigt sind. Als Neutrallage ist dabei ein Schwenkwinkel von 0° definiert, bei dem die Ebene der Schrägscheibe 30 orthogonal zur Drehachse 18 steht. Die Neutrallage zeichnet sich demgemäß durch einen Null-Arbeitshub aus.
Bei einem Saughub zwischen dem oben dargestellten Totpunkt und dem unten dargestellten Totpunkt erfolgt das Ansaugen von Druckmittel am Niederdruckanschluss (nicht dargestellt) des Gehäusedeckels 6 durch das Ausfahren des Arbeitskolbens 24 aus seinem Arbeitszylinder 22. Dies kann im besprochenen Pumpenbetrieb erfolgen, da die Gleitschuhe 28 über einen Niederhalter 47 auf die Schrägscheibe 30 gezwungen sind. Ab dem in 1 unten dargestellten Totpunkt erfolgt dann das in 1 aufwärts gerichtete Abgleiten des Gleitschuhs 28 an der Schrägscheibe 30, was gemäß dem dargestellten Schwenkwinkel zu einem Einfahren des Arbeitskolbens 24 hin zum in 1 oben dargestellten Totpunkt resultiert. Dabei wird das Druckmittel im Arbeitsraum 38 durch die Wellenleistung der Triebwelle 8 und das Einfahren des Arbeitskolbens 24 zum Hochruckanschluss des Gehäusedeckels 6 (nicht dargestellt) gefördert und dort ausgeschoben. Dabei wirkt am Gleitschuh 28 eine Reaktionskraft, die eine Komponente normal zur Schrägscheibe 30 und eine parallel zur Schrägscheibe 30 aufweist. Demzufolge resultieren am Arbeitskolben 24 unter anderem eine Kraftkomponente in Richtung seiner Mittelachse, die einfahrend auf ihn wirkt, und eine Querkraftkomponente, die quer dazu wirkt. Der Kolbenkopf 26 ist mit dieser Querkraft beaufschlagt, die gemäß 1 beim besprochenen Einfahren des Arbeitskolbens 24 von oben nach unten, rechtwinklig zur Drehachse 18 wirkt. Es wirken weitere Kräfte und Momente, welche das vom Arbeitskolben 24 und Arbeitszylinder 22 gebildete Schubgelenk belasten. In Folge werden eine Innenmantelfläche 60 des Arbeitszylinders 22 und eine Außenmantelfläche 61 des Arbeitskolbens 24 insbesondere im Bereich eines inneren Endabschnitts 48 des Arbeitskolbens 24 und eines äußeren Endabschnitts 50 des Arbeitszylinders 22 mit hoher Flächenkontaktpressung belastet. Um diese zu verringern, ist die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine 1 mit einem erfindungsgemäßen Arbeitskolben 24 ausgestattet. Dieser und weitere Ausführungsbeispiele eines Arbeitskolbens, sowie einer erfindungsgemäßen Zylindertrommel werden in den folgenden Figuren näher erläutert.
Um die Axialkolbenmaschine auch an anderen stark belasteten Komponenten gegen Verschleiß zu schützen können gemäß 1 beispielsweise der Niederhalter 47 (Rückzugsplatte), die Triebwelle 8, die Steuerplatte 42, die Arbeitskolben 24 (gilt auch für andere Ausführungsbeispiele), die Kolbenköpfe 26 und die Schwenkwiege 32 aus nitrocarburiertem, oxidiertem Stahl gefertigt sein. Die Zylindertrommel 16 (gilt auch für andere Ausführungsbeispiele), die Außen- und Innenverzahnungen der Triebwelle 8 und der Zylindertrommeln 16, die Gleitschuhe 28 sowie eine Rückzugskugel oder ein Druckstück 49, über das eine Andruckkraft auf den Niederhalter 47 aufgeprägt wird, können beispielsweise gesintert sein.
Zunächst erfolgt die Beschreibung erfindungsgemäßer Zylindertrommeln anhand der 2 und 3. In 2 ist die Zylindertrommel 16 gemäß 1 in einer perspektivischen Ansicht dargestellt, so dass die Sicht auf eine schwenkwiegenseitige Stirnfläche 51 freigegeben ist, in der Mündungen 52 der Arbeitszylinder 22 angeordnet sind. Zur besseren Darstellung der Erfindung sind die jeweils eingebrachten Arbeitskolben 24 entfernt. Die Arbeitszylinder 22 sind dabei auf dem Teilkreis 20 angeordnet, der sich konzentrisch um die Drehachse 18 erstreckt. Es sind gegen die Drehachse 18 angestellte Arbeitszylinder 22 denkbar. Die Zylindertrommel 16 hat eine Innenverzahnung 54, mit der sie mit einer Außenverzahnung 56 gemäß 1 in drehfesten Eingriff bringbar ist.
Wie bereits erwähnt, ist ein Problem insbesondere bei hochbelasteten Kolbenmaschinen mit hohen Arbeitsdrücken, dass die Flächenkontaktpressung in den genannten Endbereichen 48 und 50 gemäß 1 aufgrund der großen Querkräfte so hoch sein kann, dass hoher Verschleiß auftritt. Dementgegen wirkt eine erfindungsgemäße Schwächung 58, die an der Zylindertrommel 16 in die Stirnfläche 51 eingebracht ist. Die Schwächung 58 ist dabei als um die Mündungen 52 radial außen umlaufende Nut 58 ausgebildet. Dabei umgreift die Nut 58 jede der Mündungen 52 teilumfänglich mit einem Umfangswinkel von etwa 170°. Zwischen der Nut 58 und einer Innenmantelfläche 60 der Arbeitszylinder 22 bleibt so eine Wandung 62 stehen, die verglichen mit einem ungeschwächten Abschnitt des Endbereichs 50, der sich beispielsweise radial innen an den Mündungen 52 befindet, einen bedeutend geringeren Widerstand gegen Verformung aufgrund angreifender Radial- oder Querkräfte aufweist. Demensprechend ergibt sich bei Querkraftbelastung der Arbeitskolben 24 in einer auf ihre Längsachse bezogene, nach radial außen gerichtete Richtung ein Nachgeben des äußeren Endbereichs 50 oder der Wandung 62 nach radial außen und damit ein wie bereits erwähnt größerer Flächenbereich der Anlage und eine verringerte Flächenkontaktpressung zwischen dem Arbeitskolben 24 und dem Arbeitszylinder 22. Hinzu kommen das vergrößerte hydrostatische und hydrodynamische Druckfeld, sowie der Quetschöleffekt. Dementsprechend sinkt dort gegenüber einer herkömmlichen Ausführung bei ansonsten gleichen Betriebsparametern der Verschleiß.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Zylindertrommel 116 zeigt 3. Abweichend vom Ausführungsbeispiel gemäß 2 weist die Zylindertrommel 116 eine Innenverzahnung 154 mit drei zusätzlichen Druckstiftaussparungen auf. Im Bereich der Erfindung weicht eine Schwächung 158 von derjenigen gemäß 2 dahingehend ab, dass jede einzelne der Mündungen 52 nun von einer koaxialen, insbesondere konzentrischen Nut 158 umringt ist, die in die Stirnfläche 51 eingebracht ist. Auf diese Weise erfolgt die Schwächung des Endbereichs 50 der Innenmantelfläche 60 an jeder Mündung 52 vollumfänglich, also für alle möglichen Belastungsrichtungen der Querkraft.
Die 4a und 4b zeigen weitere Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Zylindertrommeln 216 und 316 im Zusammenwirken mit dem Arbeitskolben 24 gemäß 1, der später noch erläutert wird. Die 4c und 4d zeigen zwei weitere Ausführungsbeispiele von Zylindertrommeln. Gemäß 4a sind in die Stirnfläche 51 der Zylindertrommel 216 radial außen zwei Schwächungen 258 eigebracht, die als flache Sacklochbohrungen in Abstand zum Arbeitszylinder 22 eingebracht sind. Bezüglich einer durch die Drehachse 18 und eine Mittelachse des Arbeitskolbens 24 aufgespannten Ebene sind die beiden Schwächungen 258 symmetrisch angeordnet und ausgeführt. Hintergrund hierfür ist dass die erfindungsgemäße Schwächungen 258 für einen Richtungswechsel der Querkraft vorgesehen sind. Dieser kann beispielsweise auftreten, wenn zwischen Betriebsquadranten der Axialkolbenmaschine gewechselt wird, wenn beispielsweise die Momentenrichtung oder die Drehrichtung wechseln. Zudem kann diese Schwächung 258 vorteilhaft sein, wenn eine Randfase des Arbeitszylinders im Bereich seiner Mündung in die Fläche 51 fehlt oder klein ist.
4b zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Zylindertrommel 316 mit nur einer Schwächung 258, die wie die Schwächung 258 gemäß 4a links ausgeführt ist. Dementsprechend ist die Zylindertrommel 316 lediglich für einen Betrieb ohne Wechsel der Querkraftrichtung optimiert. Zudem kann diese Schwächung 258 vorteilhaft sein, wenn eine Randfase des Arbeitszylinders im Bereich seiner Mündung in die Fläche 51 fehlt oder klein ist.
Die 4c und 4d zeigen zwei einander ähnliche Zylindertrommeln 416 und 516. Beide haben eine Schwächung die sich sichelförmig radial außen etwa halbumfänglich um die Mündung 52 erstreckt. Dabei ist die Schwächung 458; 558 als Nut ausgeführt, die ihren tiefsten Punkt oder Querschnitt im Bereich eines radial außen angeordneten Scheitels der Mündung 52 aufweist. Die Nut der beiden Schwächungen 458; 558 läuft dann nach radial innen, außenumfänglich um die Mündung 52 herum, und etwa bei einem Äquator der Mündung 52 in der Stirnfläche 51 flach aus.
Aus den 4a bis 4d ist ersichtlich, auf welch vielfältige Weise über die Anordnung und umfängliche Erstreckung der jeweiligen Schwächung 258, 458, 558 individuell auf Betriebsanforderungen der Axialkolbenmaschine eingegangen werden kann. Unabhängig von den Ausführungsbeispielen weist der Arbeitszylinder 22 im Bereich der Mündung 52, also im Endbereich 50 gemäß 1, eine Innenfase 23 auf, so dass Verletzungen der Außenmantelfläche 61 durch beispielsweise Verkanten ausgeschlossen ist. Dies ist insbesondere für die Montage des Arbeitskolbens 24 vorteilhaft. Diese Fase 23 wird klein gehalten, um die Führungslänge nicht zu stark zu reduzieren. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist diese Fase 23 lediglich in den 4c und 4d mit Bezugszeichen versehen.
5a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Zylindertrommel 616 in einem Teillängsschnitt, sodass einer der Arbeitszylinder 22 im Vollschnitt dargestellt ist. Der Arbeitszylinder 22 erstreckt sich dabei zwischen der Öffnung 40 und der Mündung 52. An der Mündung 52 ist der äußere Endbereich 50 der weiter oben beschriebenen Anlage angeordnet. Zwischen der Mündung 52 und der Öffnung 40 ist der innere Endbereich 48 der Anlage angeordnet. Zwischen den Endbereichen 48, 50 erstreckt sich somit ein Innenmantelflächenabschnitt der Innenmantelfläche 60, welcher mit der Außenmantelfläche des Arbeitskolbens 24 in Kontakt gerät. Anders als bei den bisherigen Ausführungsbeispielen ist nun auch am inneren Endbereich 48 eine Schwächung 658 der Zylindertrommel 616 ausgebildet, die die Steifigkeit der Innenmantelfläche 60, genauer gesagt ihr Widerstand gegen Verformung, in diesem Endbereich 48 herabsetzt, so dass sich die Innenmantelfläche 60 besser an die dort vom Arbeitskolben 24 aufgeprägte Querkraft anpassen kann, die Flächenkontaktpressung reduziert ist und das hydrostatische und hydrodynamische Druckfeld, sowie der Quetschöleffekt vergrößert ist. Die Schwächung 658 ist in diesem Ausführungsbeispiel in eine als Hinterschnitt ausgebildete Stirnfläche 651 im Inneren des Arbeitszylinders 22 vollumfänglich als Nut ausgebildet. Auch hier bleibt zwischen der Nut 658 und der Innenmantelfläche 60 wiederum eine Wandung 62 stehen, die aufgrund ihrer vergleichsweise geringen Mächtigkeit bei Einwirkung der Quer- oder Radialkraft leichter verformbar ist. Die Stirnfläche ergibt sich dabei aus einem innenliegenden, gegenüber der Innenmantelfläche 60 radial erweiterten Freistich 674. Dabei taucht der (nicht dargestellte) Arbeitskolben in diesem Ausführungsbeispiel über den Endbereich 48 hinausgehend bis zu seiner maximalen Eintauchtiefe, wie sie beispielsweise gemäß 1 für den oberen Totpunkt des oberen Arbeitskolbens 24 dargestellt ist, bis zur rechten gestrichelten Linie ein und überfährt somit den Endbereich 48. Seine dem unteren Totpunkt entsprechende Endlage entspricht der linken gestrichelten Linie in 5a im Bereich der Innenmantelfläche 60.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel, das 5b zeigt hat eine Zylindertrommel 716 einen in axialer Richtung noch längeren Freistich 774 mit ansonsten gleich ausgebildeter Schwächung 658. Dieser 774 ist so lang, dass beide Totpunktendlagen des Arbeitskolbens UT, OT (gestrichelt) innerhalb des Freistichs 774 liegen. Die Innenkante des Arbeitskolbens kommt dann beim Hub nicht mehr mit der Innenmantelfläche 60 des Arbeitszylinders 22 in Kontakt, ihr verschleißintensives „Kratzen“ ist verhindert. Durch den langen Freistich ist die Führungslänge reduziert. Bei der Auslegung muss daher in Betracht gezogen werden, ob diese den Betriebsbelastungen noch genügt.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 5c zeigt eine Zylindertrommel 816 ebenso mit einem in axialer Richtung längeren Freistich 874 als gemäß 5a, allerdings ohne dass im Endbereich 48 eine Schwächung ausgebildet ist. Hierzu passend ist dann insbesondere ein im Endbereich 48 geschwächter Kolben gemäß den 6a bis 6d. Auch hier ist der Freistich 874 so lang, dass beide Totpunktendlagen des Arbeitskolbens UT, OT (gestrichelt) innerhalb des Freistichs 874 liegen.
Als weitere Ausführung ist ein Hinterstich im Arbeitszylinder denkbar, der nicht vom Kolben überstrichen wird.
Auch möglich ist eine Ausgestaltung, bei der die komplette Außenmantelfläche des Arbeitskolbens stets innerhalb des Arbeitszylinder ist, also nie aus dem Arbeitszylinder austritt. Hier wäre die beste Längsführung erreicht. Da dieser Fall jedoch in der Praxis schwer zu erreichen ist, empfiehlt sich bei austretender Außenmantelfläche des Arbeitskolbens die Schwächung im Bereich der Mündung, wie dies beispielsweise die 2, 3 und 4 zeigen.
Die Auslegung der Geometrieverhältnisse im Bereich der Schwächung und die Schwächung selbst erfolgt bevorzugt über FEM oder EMD. Bei der Auslegung ergeben sich insbesondere Geometrieverhältnisse oder Maßbereiche, ein Querschnittsverlauf der Wandung 62 gemäß der erforderlichen Kontaktflächenmaximierung.
Die 6a bis 6e zeigen fünf weitere Ausführungsbeispiele eines Arbeitskolbens 124; 224; 324; 424; 524 jeweils in einem Längsschnitt. Allen Ausführungsbeispielen der Arbeitskolben 24; 124; 224; 324; 424; 524 ist gemein, dass sie eine breite, koaxiale, insbesondere konzentrische, zylindrische Hohlbohrung 64 aufweisen, die sich vom inneren Endbereich 48 bis nahe dem äußeren Endbereich 50 erstreckt. Die erfindungsgemäße Schwächung eines Kolbens oder Arbeitskolbens ist natürlich auch auf Vollkolben anwendbar. Die Hohlbohrung 64 macht den Arbeitskolben 24; 124; 224; 324; 424; 524 insbesondere leicht, was zu verringerten Trägheitskräften führt. Aus der Hohlbohrung 64 heraus erstreckt sich eine stark verjüngte Durchgangsbohrung 66, die an einem Scheitel des Kolbenkopfes 26 mündet. Über die Durchgangsbohrung 66 erfolgt zur Verringerung des Verschleißes eine hydrostatische Entlastung des Kolbenkopfes 26 im Gleitschuh 28, in dem er schwenkbar aufgenommen ist, sowie des Gleitschuhs 28 auf der Schrägscheibe 30. Wie beim ersten Ausführungsbeispiel des Arbeitskolbens 24 weist der Arbeitskolben 124 gemäß 6a im Bereich des inneren Endbereichs 48 die als umlaufende Nut 658 ausgebildete Schwächung in der dortigen Ringstirnfläche auf. Anders als der Arbeitskolben 24 weisen die Arbeitskolben 124; 224; 324; 424; 524 im Bereich des äußeren Endbereichs 50, an einer als Ringstirnfläche ausgebildeten Schulter 68, ebenso die Nut 658 auf. Die Außenmantelfläche 61 des Arbeitskolbens 124 ist somit in beiden Endbereichen 48 und 50 erfindungsgemäß geschwächt. Am Ausführungsbeispiel gemäß 6a ist dabei ein mögliches Axialeinstech-Werkzeug 659 zur Fertigung des Einstichs 658 und dessen Position bei der Fertigung skizziert. Das gleiche Werkzeug kann auch zur Fertigung der Schwächung 658 am inneren Endbereich 48 genutzt werden.
Bei den beiden Arbeitskolben 224 und 324 gemäß 6b und 6c ist, abweichend vom Arbeitskolben 124 gemäß 6a, im Bereich des inneren Endbereichs 48 auf die Schwächung in Form der Nut 658 verzichtet und stattdessen ist eine Schwächung 758; 858 jeweils in Form einer stark ausgeprägten Innenfase vorgesehen. Die Innenfase 758 erstreckt sich dabei mit konstantem Winkel, die Innenfase 858 erstreckt sich gestuft, mit unterschiedlichen Winkeln.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 6d zeigt einen Arbeitskolben 424 mit seinem Kolbenkopf 26 im Gleitschub 28. Abweichend vom Arbeitskolben 324 weist der Arbeitskolben 424 im äußeren Endbereich 50 stirnseitig eine Schwächung 958 auf, die einen verglichen mit der Schwächung 658 breiter verrundeten Nutgrund hat. Dadurch ist die Kerbwirkung der Schwächung 958 reduziert.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 6e zeigt einen Arbeitskolben 524, der sich vom Arbeitskolben 424 gemäß 6d in der Schwächung 1058 im äußeren Endbereich 50 unterscheidet. Der innere Endbereich (nicht dargestellt) ist hingegen gleich ausgebildet. Der Nutgrund der Schwächung 1058 entspricht überwiegend demjenigen der Schwächung 958 mit vergleichsweise großer Verrundung zur Reduktion der Kerbwirkung. Abweichend vom letzten Ausführungsbeipiel gemäß 6d geht der Nutgrund der Schwächung 1058 jedoch tangential nach radial innen, in Richtung des Kolbenkopfes 26 ansteigend, in eine Schulter 25 über, die hin zu einem Kolbenhals 27 ansteigt, auf dem der Kolbenkopf 26 sitzt.
Bei der Wandung 62, die zwischen der jeweiligen Mantelfläche 60; 61 und Schwächung 58; 158; 258; 358; 458; 558; 658; 758; 858; 958; 1058 stehenbleibt ist im Falle einer nachfolgenden Wärmebehandlung darauf zu achten, dass sie in ausreichend dick ausgestaltet ist, sodass keine Durchhärtung erfolgen kann, sodass an dieser ein Sprödbruch verhindert ist.
Ein Verschleiß ist weiterhin verringerbar, wenn die mit der jeweiligen Schwächung verbundene Mantelfläche (Innenmantelfläche oder Außenmantelfläche) zusätzlich mit einer Mikrokonturierung versehen ist, sodass ein konvergierender Kontaktspalt im Endbereich resultiert. Prinzipiell ist der Verschleiß auch dadurch herabsetzbar, indem eine verschleißfestere Tribologie ausgebildet wird. Dies kann durch die Auswahl des Werkstoffs, eine Wärmebehandlung, eine Beschichtung, zum Beispiel Kohlenstoffbeschichtung, oder durch die Wahl eines beispielsweise durch Additivierung verbesserten Druckmittels erfolgen. Auch kann der Verschleiß durch eine Erhöhung der Oberflächengüte der genannten tribologischen Partner Arbeitskolben und Arbeitszylinder erfolgen. Generell bieten sich auch Kühl-, Schmier- und Entlastungstaschen zur Kühlung, Schmierung und Druckentlastung mittels dem verwendeten Druckmittel an. Auch eine Kolbenspieloptimierung zwischen dem Arbeitskolben und dem Arbeitszylinder kann den Verschleiß mindern. Gleiches gilt für eine Erhöhung des Führungsbehältnisses, so dass die Anlage, also die Überdeckung des Außenmantelflächenabschnitts mit dem Innenmantelflächenabschnitt, vergrößert wird. Dann ist die Führung des Arbeitskolbens im Arbeitszylinder verlängert und die Flächenkontaktpressung in den Endbereichen verringert. Weitere Vorteile bieten beispielsweise die Ausgestaltung der Innenmantelfläche des Arbeitszylinders mittels einer einsetzbaren, insbesondere aus Messing gefertigten Buchse.
Ergänzend zur erfindungsgemäßen Schwächung kann eine Steifigkeitsreduktion mit weiteren konstruktiven Maßnahmen erreicht werden. Beispielsweise können Führungsausläufe des Kolbens und / oder Arbeitszylinders so aufeinander abgestimmt konstruiert sein, dass sie nicht in Eingriff geraten können. Denkbar ist beispielsweise ein radial erweiterter Freistich oder Hinterstich im Arbeitszylinder, der in Hubrichtung so lang bemessen ist, dass sich der innere Endabschnitt des Kolbens während seines kompletten Hubes ausschließlich im Freistich oder Hinterstich bewegt. Auf diese Weise ist die innere Kolbenkante ohne Kontakt mit dem Arbeitszylinder und das verschleißintensive „Kratzen“ der inneren Kolbenkante an der Innenmantelfläche des Zylinders unmöglich. Diese Lösung ist beispielsweise sinnvoll, wenn dadurch die Führungssituation des Arbeitskolbens im Arbeitszylinder durch eine sich ergebende, kürzere Führungslänge oder durch divergierende Führungsspalte nicht kritisch verschlechtert wird.
Prinzipiell ist eine beliebige Kombination der vorgestellten Ausführungsbeispiele der Schwächungen möglich.
Offenbart ist eine hydrostatische Verdrängermaschine, insbesondere Kolbenmaschine, insbesondere eine Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise, mit einer Zylindertrommel in deren wenigstens einem Zylinder, insbesondere Arbeitszylinder, ein querkraftbelasteter Kolben, insbesondere Arbeitskolben, axial geführt ist. Eine Innenmantelfläche des Zylinders und eine Außenmantelfläche des Kolbens weisen dabei jeweils einen Führungsabschnitt auf, wobei die Führungsabschnitte die Abschnitte der beiden Flächen sind, die miteinander in Anlage geraten. Erfindungsgemäß weist wenigstens ein Endbereich wenigstens eines der Führungsabschnitte eine Schwächung auf, über die seine Steifigkeit bezüglich einer Belastung mit einer Querkraft reduziert ist.
Offenbart ist zudem ein Kolben, insbesondere Arbeitskolben, für eine Verdrängermaschine, insbesondere Kolbenmaschine, wobei mindestens ein Endbereich seines Führungsabschnitts eine Schwächung aufweist, über die seine Steifigkeit bezüglich einer Belastung mit einer Querkraft reduziert ist. Auch ist offenbart eine Zylindertrommel mit wenigstens einem Zylinder, insbesondere Arbeitszylinder zur Aufnahme eines Kolbens, insbesondere Arbeitskolbens, wobei mindestens ein Endbereich eines Führungsabschnitts des Zylinders eine Schwächung aufweist, über die seine Steifigkeit bezüglich einer Belastung mit einer Querkraft reduziert ist.
Bezugszeichenliste

1: Hydrostatische Axialkolbenmaschine
2: Gehäuse
4: Gehäusetopf
6: Gehäusedeckel
8: Triebwelle
10: Wälzlager
12: Gehäuseboden
14: Wälzlager
16; 116; 216; 316; 416; 516; 616 716; 816: Zylindertrommel
18: Drehachse
20: Kolbenlängsachse / Teilkreis
22: Arbeitszylinder
23: Fase
24; 124; 224; 324; 424; 524: Arbeitskolben
25: Schulter
26: Kolbenkopf
27: Kolbenhals
28: Gleitschuh
30: Schrägscheibe
32: Schwenkwiege
34: Verstelleinrichtung
36: Rückstelleinrichtung
38: hydrostatischer Arbeitsraum
40: Öffnung
42: Steuerscheibe
44: Durchgangsausnehmung
46: Wellenstumpf
47: Niederhalter
48, 50: Endbereich
49: Rückzugskugel
51; 651: Stirnfläche
52: Mündung
54; 154: Innenverzahnung
56: Außenverzahnung
58; 158; 258; 458; 558; 658 758; 858; 1058: Schwächung
60: Innenmantelfläche
61: Außenmantelfläche
62: Wandung
64: Hohlbohrung
66: Durchgangsausnehmung
68: Schulter
70, 72: Innenfase
659: Axialeinstech-Werkzeug
674; 774; 874: Freistich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006014222 B4 [0006]
DE 19610595 C1 [0007]

Claims

Hydrostatische Verdrängermaschine mit einer Zylindertrommel (16; 116; 216; 316; 416; 516; 616; 716; 816) mit wenigstens einem Zylinder (22), in dem ein Kolben (24) längsverschieblich aufgenommen ist, der mit einem Stützabschnitt (26) unmittelbar oder mittelbar an einer schiefen Ebene (30) der Verdrängermaschine (1) abgestützt ist, wobei ein Außenmantelflächenabschnitt (61) des Kolbens (24) mit einem Innenmantelflächenabschnitt (60) des Zylinders (22) in Anlage ist, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem Endbereich (48, 50) der Anlage, am Kolben (24; 124; 224; 324; 424; 524) oder an der Zylindertrommel (16; 116; 216; 316; 416; 516; 616; 716; 816) oder an Beiden, eine Schwächung (58; 158; 258; 458; 558; 658; 758; 858; 958; 1058) vorgesehen ist, über die eine Steifigkeit oder ein Widerstand gegen Verformung der mit der Schwächung (58; 158; 258; 458; 558; 658; 758; 858; 958; 1058) verbundenen Mantelfläche (60; 61) bei Belastung mit einer Quer- oder Radialkraft verringert ist.
Verdrängermaschine nach Anspruch 1, die als Kolbenmaschine, insbesondere Axialkolbenmaschine (1) ausgebildet ist, wobei der Zylinder ein Arbeitszylinder (22) und der Kolben ein Arbeitskolben (24) ist.
Verdrängermaschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei zwischen der Schwächung (58; 158; 258; 458; 558; 658; 758; 858; 958; 1058) und der verbundenen Mantelfläche (60; 61) eine Wandung (62) steht.
Verdrängermaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei sich die Wandung (62) in Hubrichtung verjüngend erstreckt.
Verdrängermaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mantelfläche (60; 61) weit überwiegend zylindrisch ist.
Verdrängermaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Schwächung (58; 158; 258; 458; 558; 658, 758; 858; 958; 1058) von einer zur Mantelfläche (60; 61) abgewinkelten Ebene oder Fläche (51; 651), insbesondere Stirnebene oder Stirnfläche, in den Kolben (24; 124; 224; 324; 424; 524) oder die Zylindertrommel (16; 116; 216; 316; 416; 516; 616; 716; 816) hinein erstreckt.
Verdrängermaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schwächung wenigstens eine Ausnehmung (58; 158; 258; 458; 558; 658; 758; 858; 958; 1058) aufweist.
Verdrängermaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Schwächung (58; 158; 258; 458; 558; 658; 758; 858; 958; 1058) koaxial, insbesondere konzentrisch (158; 658; 758; 858; 958; 1058) zu einer Mittelachse (20) des Kolbens (24; 124; 224; 324; 424; 524) oder Zylinders (22) oder exzentrisch (58; 258; 458; 558) dazu erstreckt.
Verdrängermaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schwächung, bezogen auf eine Mittelachse (20) des Kolbens oder Zylinders, rotationsasymmetrisch (258; 458; 558) oder rotationssymmetrisch (58; 158; 658; 758; 858; 958; 1058) erstreckt.
Verdrängermaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schwächung wenigstens eine Bohrung (258), insbesondere Sacklockbohrung, aufweist.
Verdrängermaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schwächung wenigstens eine sich umfänglich erstreckende Nut (58; 158; 458; 558; 658; 958; 1058) aufweist.
Verdrängermaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Schwächung teilumfänglich (58; 258; 458; 558) oder vollumfänglich (158; 658; 758; 858; 958; 1058) erstreckt.
Kolben für eine hydrostatische Verdrängermaschine (1), die gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgebildet ist mit einem Außenmantelflächenabschnitt (61) der in Anlage mit einem Innenmantelflächenabschnitt (60) eines Zylinders (22) der Verdrängermaschine (1) bringbar ist, in dem er in Hubrichtung verschieblich aufnehmbar ist, und mit einem Stützabschnitt (26) zum Abstützen an einer schiefen Ebene (30) der Verdrängermaschine (1), dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich wenigstens eines Endabschnitts (48, 50) des Außenmantelflächenabschnitts (61) eine Schwächung (658; 758; 858; 958; 1058) ausgebildet ist, über die eine Steifigkeit des Endabschnitts (48, 50) bei Belastung mit einer Quer- oder Radialkraft verringert ist.
Zylindertrommel für eine hydrostatische Verdrängermaschine (1), die gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgebildet ist, mit wenigstens einem Zylinder (22), in dem ein Kolben (24; 124; 224; 324; 424; 524) der Verdrängermaschine (1) in Hubrichtung verschieblich aufnehmbar ist, der mit einem Stützabschnitt (26) an einer schiefen Ebene (30) der Verdrängermaschine (1) abstützbar ist, wobei der Zylinder (22) einen Innenmantelflächenabschnitt (60) zur Anlage an einem Außenmantelflächenabschnitt (61) des Kolbens (24; 124; 224; 324; 424; 524) hat, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich wenigstens eines Endabschnitts (48, 50) des Innenmantelflächenabschnitts (60) eine Schwächung (58; 158; 258; 458; 558; 658) ausgebildet ist, über die eine Steifigkeit des Endabschnitts (48, 50) bei Belastung mit einer Quer- oder Radialkraft verringert ist.
Zylindertrommel nach Anspruch 14 mit einer Fläche, insbesondere Stirnfläche (51), in der die Zylinder (22) münden, wobei sich eine jeweilige Schwächung (158) vollumfänglich um jede Mündung (52) erstreckt.
Zylindertrommel nach Anspruch 14 mit einer Fläche, insbesondere Stirnfläche (51), in der die Zylinder (22) münden, wobei sich Schwächungen (58) radial innen oder radial außen teilumfänglich um die Mündungen (52) erstrecken und verbunden oder vereinzelt sind.