DE102017222354A1

DE102017222354A1 - Hydrostatische Kolbenmaschine

Info

Publication number: DE102017222354A1
Application number: DE102017222354.5A
Authority: DE
Inventors: David Breuer; Stefan Merz; Timo Nafz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-12-11
Filing date: 2017-12-11
Publication date: 2019-06-13
Also published as: US11008862B2; CN109973344A; US20190178226A1

Abstract

Offenbart ist eine hydrostatische Kolbenmaschine mit einer in einem Gehäuse drehbar gelagerten Zylindertrommel mit Zylinderbohrungen, in denen je ein Arbeitskolben längsverschieblich aufgenommen ist, über den in der Zylinderbohrung ein hydrostatischer Arbeitsraum begrenzt ist, der an einer Außenfläche der Zylindertrommel eine Öffnung aufweist, von der bei einer Drehung der Zylindertrommel Mündungen eines Hochdruckraumes und eines Niederdruckraumes der Kolbenmaschine und eine in Drehrichtung zwischen den beiden Mündungen angeordnete Umsteuerfläche alternierend überstreichbar sind, wobei wenigstens ein Druckmittelkanal vorgesehen ist, der einerseits in die Umsteuerfläche und andererseits in eine Druckmittelsenke der Kolbenmaschine mündet.

Description

Die Erfindung betrifft eine hydrostatische Kolbenmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine gattungsgemäße hydrostatische Kolbenmaschine hat eine Zylindertrommel mit Zylinderbohrungen und darin längsverschieblich geführten Arbeitskolben. Diese sind einerseits an einer mit veränderlichem Abstand zur Zylindertrommel verlaufenden Hubfläche gleitend abgestützt, und andererseits begrenzen sie in der Zylindertrommel hydrostatische Arbeitsräume, in die sie bei Drehung der Zylindertrommel, verursacht durch die Abstützung an der Hubfläche, alternierend ein- und ausfahren. Die hydrostatischen Arbeitsräume weisen jeweils eine Mündung an der Zylindertrommel auf, die bei Drehung der Zylindertrommel in alternierende Druckmittelverbindung mit einem Hochdruckraum und einem Niederdruckraum der Kolbenmaschine gebracht wird. Zwischen den Mündungen des Niederdruckraumes und des Hochdruckraumes ist eine von der Mündung des Arbeitsraumes überstrichene Umsteuerfläche angeordnet, über die die Mündung des Arbeitsraumes beim Überstreichen sowohl vom Nieder- als auch vom Hochdruckraum fluiddicht getrennt ist. Auf diese Weise kann ohne einen hydraulischen Kurzschluss zwischen dem Hoch- und dem Niederdruckraum ein Druckwechsel im Arbeitsraum erfolgen. In einem Pumpenbetrieb wird die Zylindertrommel angetrieben und ein mit seiner Mündung den Niederdruckraum überstreichender hydrostatischer Arbeitsraum dehnt sich aufgrund des ausfahrenden Arbeitskolbens aus. Dadurch strömt Druckmittel niederen Drucks vom Niederdruckraum in den hydrostatischen Arbeitsraum ein. Kurz bevor der Arbeitskolben seinen maximalen Hub oder Totpunkt erreicht hat, wird die Druckmittelverbindung des hydrostatischen Arbeitsraumes mit dem Niederdruckraum beim Überstreichen der Umsteuerfläche getrennt. Am Totpunkt beginnt, verursacht durch die Hubfläche, das Einfahren des Arbeitskolbens in die Zylinderbohrung und damit die Druckerhöhung im hydrostatischen Arbeitsraum. Bei weiterer Drehung gerät dessen Mündung dann in Druckmittelverbindung mit dem Hochdruckraum der Kolbenmaschine, in dem beispielsweise der Lastdruck einer zu bewegenden Last ansteht. Das Einfahren des Arbeitskolbens bewirkt das Ausschieben des Druckmittels unter Lastdruck in den Hochdruckraum und beispielsweise hin zu einem Hochdruckanschluss der Kolbenmaschine und weiter zum Verbraucher. Kurz vor Erreichen des nächsten Totpunktes, an dem der Arbeitskolben maximal eingefahren ist, wird nun die Druckmittelverbindung des hydrostatischen Arbeitsraumes mit dem Hochdruckraum beim Überstreichen der anderen Umsteuerfläche getrennt. Da der Arbeitskolben noch etwa weiter einfährt, erfolgt in der Regel weiterhin eine Druckerhöhung im hydrostatischen Arbeitsraum bis hin zum Totpunkt. Bei Weiterdrehung der Zylindertrommel gerät dann der hydrostatische Arbeitsraum über seine Mündung in Druckmittelverbindung mit dem Niederdruckraum.
Da im hydrostatischen Arbeitsraum zu dem Zeitpunkt noch der Hochdruck ansteht, entspannt sich das Druckmittel, sofern keine weiteren Vorkehrungen getroffen sind, abrupt in den Niederdruckraum hinein. Dabei können große Strömungsgeschwindigkeiten auftreten, die zu Turbulenzen im Niederdruckraum führen. Je höher dabei der Hochdruck und / oder die Drehzahl der Zylindertrommel, umso turbulenter sind die Effekte im Niederdruckraum. Dies kann dazu führen, dass Dampfbildung oder Kavitation im Niederdruckraum auftritt. Das kann zwei Effekte haben. Zum Einen kann Kavitationserosion in diesem Bereich auftreten, zum Anderen kommt es dadurch, dass durch die Dampfbildung die Inkompressibilität des Druckmittels reduziert ist, zu einer schlechteren Befüllung des nun ansaugenden hydrostatischen Arbeitsraumes. Die Folgen können sein: Beschädigungen von Komponenten der Maschine, ein schlechterer Wirkungsgrad der Maschine und eine Entkopplung des Druckmittelvolumenstroms von der Drehzahl.
Um diese Effekte zu reduzieren, sind im Stand der Technik Lösungen verbreitet, die Umsteuerkerben mit sich in Drehrichtung erweiterndem Strömungsquerschnitt vorschlagen. Diese Umsteuerkerben entspringen mit einem Querschnitt von Null in der Umsteuerfläche und erstrecken sich mit der Drehrichtung hin zur Mündung des Niederdruckraumes, in den sie münden, mit im Wesentlichen V- oder U-förmigem Querschnitt.
Zwar wird über diese Umsteuerkerben eine Verbesserung erreicht, jedoch können die genannten Probleme immer noch auftreten, da der Hochdruck direkt in den Niederdruckraum entspannt wird und dort in Abhängigkeit der Drehzahl und des Hochdrucks dort für die genannten Turbulenzen sorgen kann.
Andere Lösungen zeigen die Verbindung des Hochdruck führenden hydrostatischen Arbeitsraumes im Bereich der Umsteuerfläche mit dem Innenraum der Hydromaschine. Durch diese Vorentspannung oder Absteuerung des Arbeitsraumes wird der Niederdruckraum bei der folgenden Verbindung mit dem Arbeitsraum Druckmittelverbindung nicht mehr derartig verwirbelt, so dass die geschilderten negativen Effekte reduziert sind. So zeigt beispielsweise die Druckschrift US 3 457 873 eine Verbindung des hydrostatischen Arbeitsraumes über die Umsteuerfläche mit dem Gehäuseinnenraum. Dies erfolgt über einen Druckmittelkanal, der sich von seiner Mündung in der Umsteuerfläche durch eine Anschlussplatte, die sowohl Mündungen des Hochdruckraumes als auch des Niederdruckraumes aufweist, bis in den Gehäuseinnenraum erstreckt.
Nachteilig an dieser Lösung ist, dass bei einer Umkehrung der Drehrichtung über den Druckmittelkanal ein Luft-Ölgemisch angesaugt werden kann, das wiederum zu vorgenannten Problemen führt.
Um dieses Problem zu lösen, schlägt die Druckschrift DE 10 2010 055 398 A1 vor, in den genannten Druckmittelkanal ein hin zum Gehäuseinnenraum öffnendes Rückschlagventil zu setzen. Auf diese Weise erfolgt über den Druckmittelkanal nur noch die ursprünglich beabsichtigte Absteuerung und kein Ansaugen mehr.
Weiterhin von Nachteil ist bei beiden Lösungen jedoch, dass die genannten Druckmittelkanäle bei hinreichend hohen Drücken oder Drehzahlen weiterhin zur Kavitation neigen.
Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine hydrostatische Kolbenmaschine mit Absteuerung zu schaffen, die bei ansonsten gleichen Betriebszustandsgrößen wie Drehzahl und Arbeitsdruck eine geringere Neigung zur Kavitation der Absteuerung aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine hydrostatische Kolbenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen der hydrostatischen Kolbenmaschine sind in den Patentansprüchen 2 bis 15 beschrieben.
Eine hydrostatische Kolbenmaschine hat ein Gehäuse mit einer darin drehbar gelagerten Zylindertrommel mit Zylinderbohrungen, in denen je ein Arbeitskolben längsverschieblich aufgenommen ist. Die Kolbenmaschine kann beispielsweise eine Radialkolbenmaschine oder eine hydrostatische Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise sein. Sie kann als Hydromotor und / oder als Hydropumpe ausgestaltet sein. Im Fall der Radialkolbenmaschine treten die Arbeitskolben bezogen auf eine Drehachse der Zylindertrommel radial aus dieser aus, im zweiten Fall treten sie stirnseitig an der Zylindertrommel, im Wesentlichen parallel oder parallel zur Drehachse aus. Jede Zylinderbohrung begrenzt mit ihrem darin geführten Arbeitskolben einen hydrostatischen Arbeitsraum veränderlichen Volumens, der an einer Außenfläche der Zylindertrommel - bei der Radialkolbenmaschine an einer radialen Mantelfläche und bei der Axialkolbenmaschine an einer stirnseitigen Mantelfläche - eine Öffnung aufweist. Bei einer Drehung der Zylindertrommel sind Mündungen eines Hochdruckraumes und eines Niederdruckraumes der Kolbenmaschine und eine in Drehrichtung zwischen den beiden Mündungen angeordnete Umsteuerfläche alternierend von den Öffnungen der Arbeitsräume überstreichbar, insbesondere überstrichen. Dabei ist insbesondere zum Absteuern des Hochdrucks der Arbeitsräume in eine vom Niederdruckraum gesonderte Druckmittelsenke wenigstens ein Druckmittelkanal vorgesehen, der einerseits in die Umsteuerfläche und andererseits in der Druckmittelsenke, insbesondere in einen Gehäuseinnenraum der Kolbenmaschine, mündet. Erfindungsgemäß hat dieser Druckmittelkanal einen ersten Abschnitt, entlang dem ein Strömungsquerschnitt zur Druckmittelsenke hin zunimmt.
Aufgrund des zunehmenden Strömungsquerschnitts kann die Strömungsgeschwindigkeit im Druckmittelkanal entlang dem ersten Abschnitt absinken, was mit einer Druckerhöhung entlang dem ersten Abschnitt verbunden ist. Auf diese Weise ist Dampfbildung oder Kavitation besser verhindert. Somit ist die Kolbenmaschine in diesem Bereich besser gegen Kavitationsbedingten Verschleiß geschützt. Da der Niederdruckraum im Nachgang an die Absteuerung nicht mehr derart stark verwirbelt wird wie bei bekannten Lösungen, sind der Wirkungsgrad und die Ansaugung verbessert.
In einer Weiterbildung hat der Druckmittelkanal in Richtung der Druckmittelsenke einen dem ersten Abschnitt nachgeordneten, zweiten Abschnitt. Entlang diesem ist der Strömungsquerschnitt hin zur Druckmittelsenke konstant oder er nimmt ab. In anderen Worten verengt sich der Druckmittelkanal erneut. Alternativ oder ergänzend weist der zweite Abschnitt in Strömungsrichtung eine Krümmung auf, über die der Druckmittelvolumenstrom im Druckmittelkanal in Richtung der Druckmittelsenke umgelenkt ist. Versuche zeigen, dass durch die Nachverengung des Druckmittelkanals und /oder die Krümmung ein noch besserer Schutz gegen Kavitation erreichbar ist.
In einer Weiterbildung mündet der Druckmittelkanal mit seinem ersten Abschnitt in die Druckmittelsenke oder, bei Vorhandensein des zweiten Abschnitts, er mündet mit seinem zweiten Abschnitt in die Druckmittelsenke.
Besonders gut gegen Kavitation geschützt erweist sich der Druckmittelkanal in einer Weiterbildung, in der der Strömungsquerschnitt zumindest des ersten Abschnitts sprungfrei oder stetig zunimmt. Auf diese Weise sind Kavitation begünstigende Ablösungen der Strömung von einer Innenmantelfläche des Druckmittelkanals verhindert.
Prinzipiell erweist sich eine Weiterbildung als vorteilhaft, bei der eine Innenmantelfläche des Druckmittelkanals oder zumindest des ersten Abschnittes zumindest abschnittsweise glatt und / oder stufenfrei ausgebildet ist.
Eine glatte oder stufenfreie Innenmantelfläche ergibt sich beispielsweise wenn sie tangentenstetig ausgebildet ist. Das heißt, es gibt keine Kanten auf der Innenmantelfläche. Eine noch höhere Flächengüte weist die Innenmantelfläche auf, wenn sie beispielsweise krümmungsstetig ausgebildet ist. Das heißt, auch die Änderung der Tangente an der Innenmantelfläche weist keinen Sprung auf.
In einer Weiterbildung erstreckt sich der Druckmittelkanal hin zur Druckmittelsenke zumindest abschnittsweise mit der Drehrichtung. Alternativ oder ergänzend kann sich der Druckmittelkanal hin zur Druckmittelsenke zumindest abschnittsweise entgegen der Drehrichtung erstrecken.
In einer Weiterbildung erstreckt sich der Druckmittelkanal hin zur Druckmittelsenke zumindest abschnittsweise nach radial außen, insbesondere mit und / oder entgegen der Drehrichtung. Durch eine Erstreckung nach radial außen und mit der Drehrichtung ergibt sich beispielsweise, bezogen auf eine Drehebene der Zylindertrommel, eine spiralarmförmige Ausgestaltung des Druckmittelkanals.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist zwischen der Zylindertrommel und einem Gehäuseabschnitt, der einen mit dem Niederdruckraum und dem Hochdruckraum jeweils verbundenen Niederdruckanschluss und Hochdruckanschluss trägt, eine vom Gehäuseabschnitt lösbare Steuerplatte angeordnet. Mit der Steuerplatte ist die Außenfläche der Zylindertrommel in Anlage. Bei dieser Bauweise ist die Umsteuerfläche oder sind die Umsteuerflächen, die Mündungen des wenigstens einen Druckmittelkanals und des Hoch- und des Niederdruckraumes an der Steuerplatte ausgebildet.
Bei dieser Bauweise weist der Niederdruckraum und der Hochdruckraum jeweils einen Hauptabschnitt im Gehäuseabschnitt auf und einen oder mehrere Endabschnitte in der Steuerplatte. Die Endabschnitte sind dabei insbesondere in Form einer oder mehrerer Durchgangsbohrungen oder Steuernieren ausgebildet.
Im Falle der Bauweise mit Gehäuseabschnitt und lösbarer Steuerplatte erweist sich eine Weiterbildung als leicht fertigbar, bei der der Druckmittelkanal zumindest abschnittsweise von einer am Gehäuseabschnitt ausgebildeten Nut und der diese Nut abschnittsweise abdeckenden Steuerplatte ausgebildet ist. Die nutartige Ausgestaltung erlaubt dabei die einfache Fertigung durch beispielsweise Fräsen. Anders als bei Lösungen des besprochenen Standes der Technik, sind die Druckmittelkanäle also nicht durch Bohrungen in den Gehäuseabschnitt gesetzt. Durch Fräsen kann ein bedeutend vielfältigerer und variablerer Querschnittsverlauf mit äußerst geringem Aufwand gefertigt werden. Die abdeckende Steuerplatte komplettiert dann die Innenmantelfläche des Druckmittelkanals.
In einer Weiterbildung weist die Nut in Strömungsrichtung einen wannenförmig ausgestalteten Grund auf. Dies ist beispielsweise gegeben, wenn bezogen auf eine Auflagefläche des Gehäuseabschnitts, auf der die Steuerplatte aufliegt, ein Grund der Nut entlang dem ersten Abschnitt abfällt und entlang dem zweiten Abschnitt wieder ansteigt. Versuche zeigen, dass der ansteigende Abschnitt aufgrund seines sich verringerndem Strömungsquerschnittes und / oder aufgrund seiner in Strömungsrichtung ausgebildeten Krümmung die Neigung zur Kavitation im Druckmittelkanal absenkt.
In einer Weiterbildung ist der zweite Abschnitt nicht von der Steuerplatte überdeckt. In anderen Worten ist der zweite Abschnitt nur von der Nut und nicht von der Steuerplatte begrenzt oder gebildet. Dies ist beispielsweise gegeben, wenn der Druckmittelkanal, insbesondere die Nut, sich über einen Außenumfang der Steuerplatte hinaus erstreckt.
Vergleichsweise einfach zu fertigen ist der Druckmittelkanal, wenn sich der erste Abschnitt von der Auflagefläche des Gehäuseabschnitts ausgehend, auf der die Steuerplatte aufliegt, erstreckt. In anderen Worten beginnt der erste Abschnitt mit sich aufweitendem Strömungsquerschnitt nicht bereits an der Umsteuerfläche der Steuerplatte, sondern erst am Gehäuseabschnitt. Dann kann ein Abschnitt des Druckmittelkanals von dessen Mündung in der Umsteuerfläche bis hin zur Auflagefläche als einfache Durchgangsbohrung ausgebildet sein.
Alternativ kann der erste Abschnitt sich mit Abstand zur Auflagefläche des Gehäuseabschnitts erstrecken. Beispielsweise kann ausgehend von der Auflagefläche zunächst eine Bohrung in den Gehäuseabschnitt gesetzt sein, aus der heraus sich dann der erste Abschnitt mit sich aufweitendem Strömungsquerschnitt erstreckt.
Alternativ zu den genannten Lösungen kann sich der erste Abschnitt aber auch bereits von der Umsteuerfläche der Steuerplatte ausgehend erstrecken.
Versuche zeigen, dass die Absteuerung weniger von Kavitation bedroht ist, wenn mehr als ein derartiger Druckmittelkanal pro Umsteuerfläche vorgesehen ist. Es können beispielsweise zwei oder drei Druckmittelkanäle oder mehr sein. Diese können sich beispielsweise mit oder entgegen der Drehrichtung oder individuell, einer mit und der andere entgegen der Drehrichtung, erstrecken. Eine Kombination eines Druckmittelkanals, der sich mit der Drehrichtung und eines anderen Druckmittelkanals, der sich entgegen der Drehrichtung erstreckt, erweist sich als vorteilhaft.
Mündungen der beiden oder der mehreren Druckmittelkanäle sind in der überstreichbaren Umsteuerfläche angeordnet. Eine im Wesentlichen zeitgleiche Druckmittelverbindung der überstreichenden Öffnung des Arbeitsraumes mit den Druckmittelkanälen erfolgt, wenn diese bezogen auf die Drehachse der Zylindertrommel beispielsweise radial zueinander versetzte Mündungen aufweisen. Dies ist eine bevorzugte Lösung bei Axialkolbenmaschinen. Alternativ oder ergänzend kann selbstverständlich ein Versatz der Mündungen der Druckmittelkanäle in der Umsteuerfläche in Drehrichtung vorgesehen sein.
In einer Weiterbildung ist die Kolbenmaschine für eine Drehrichtungs- und / oder Drehmomentumkehr ausgestaltet. In diesem Fall erweist sich eine Weiterbildung als vorteilhaft, bei der in einer diametral zu der genannten Umsteuerfläche angeordneten anderen Umsteuerfläche ein oder mehrere Druckmittelkanäle wie vorbeschrieben münden. Auf diese Weise ist die genannte Absteuerung bei jeder Drehrichtung möglich.
Zur Vermeidung des Ansaugens eines Luft-Öl-Gemisches über den Druckmittelkanal bei Drehrichtungsumkehr weisen die Druckmittelkanäle vorzugsweise je ein hin zur Druckmittelsenke öffnendes Rückschlagventil auf.
Alternativ zur Bauweise mit der genannten Steuerplatte kann die Außenfläche der Zylindertrommel unmittelbar in Anlage an dem Gehäuseabschnitt sein. Dann sind die Mündungen des Hoch- und des Niederdruckraumes und die Umsteuerfläche oder die Umsteuerflächen am Gehäuseabschnitt, insbesondere an der Anschlussplatte oder dem Gehäusedeckel ausgebildet. Diese Bauform weist zwar ein Bauteil weniger auf - die Steuerplatte entfällt - jedoch führt ein jederzeit möglicher Verschleiß an der Stirnfläche des Gehäuseabschnitts, der die genannten Mündungen des Hoch- und Niederdruckraumes aufweist, verglichen mit der Bauweise mit Steuerplatte zu einem hohem Reparaturaufwand, da der aufwändig gefertigte Gehäuseabschnitt anstatt der einfachen Steuerplatte überarbeitet oder getauscht werden muss.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen hydrostatischen Kolbenmaschine ist in den Zeichnungen dargestellt. Anhand der Figuren dieser Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert.
Es zeigen:

1 in einem Längsschnitt eine hydrostatische Axialkolbenmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel,
2 eine Anschlussplatte der Axialkolbenmaschine gemäß 1, mit Steuerplatte,
3 die Anschlussplatte gemäß 2,
4 die Anschlussplatte gemäß den vorangegangenen Figuren in perspektivischer, teilgeschnittener Darstellung, und
5 eine Detaildarstellung des Teilschnittes gemäß 4.

Gemäß 1 hat eine Axialkolbenmaschine 1, die in Schrägscheibenbauweise ausgestaltet ist, ein Gehäuse 2 mit einem im Wesentlichen topfförmigen Gehäuseteil 4, das von einem Anschlussdeckel oder einer Anschlussplatte 6 stirnseitig verschlossen ist. Im Gehäuse 2 ist eine Triebwelle 8 über Wälzlager 10, 12 drehbar gelagert. Dabei ist das Wälzlager 10 an der Anschlussplatte 6 und das Wälzlager 12 an einem Boden 14 des Gehäuseteils 4 angeordnet. Ein Boden 14 des Gehäuseteils 4 ist von der Triebwelle 8 durchsetzt, so dass ein Triebwellenstumpf 9 zur Übertragung eines Drehmomentes nach außen kragt. Drehfest mit der Triebwelle 8 verbunden ist eine Zylindertrommel 16, in die auf einem konzentrisch zu einer Drehachse 18 der Triebwelle 8 angeordneten Teilkreis eine Vielzahl von Zylinderbohrungen 20 parallel zur Drehachse 18 eingebracht sind. In der jeweiligen Zylinderbohrung 20 ist ein Arbeitskolben 22 längsverschieblich aufgenommen, wodurch von der Zylinderbohrung 20 und dem Arbeitskolben 22 je ein hydrostatischer Arbeitsraum 24 begrenzt ist. Aufgrund der Hohl-Bauweise der Arbeitskolben 22 erstrecken sich die Arbeitsräume 24 bis in die Arbeitskolben 22 hinein. Diese ragen jeweils an einer zum Boden 14 weisenden Stirnseite der Zylindertrommel 16 aus den Zylinderbohrungen 20 heraus und sind mit Köpfen 26 mittelbar über Gleitschuhe 28 an einer Gleitfläche 30 einer am Gehäuseteil 4 schwenkbar gelagerten Schwenkwiege 32 gleitend abgestützt. Über die Gleitfläche 30 ist eine schiefe Ebene oder Schrägscheibe mit verstellbarem Anstellwinkel relativ zur Drehachse 18 ausgebildet. Der in der 1 gezeigte Schnitt stellt den Längsschnitt in einer Ebene dar, die von der Drehachse 18 und einer Schwenkachse der Schwenkwiege 32 aufgespannt ist.
An der gegenüberliegenden Stirnseite 36 der Zylindertrommel 16 weisen die hydrostatischen Arbeitsräume 24 Öffnungen 34 auf. Die Stirnseite 36 ist in Anlage mit einer Steuerplatte 38, über die eine alternierende Druckmittelverbindung mit einem in der Anschlussplatte 6 angeordneten Hochdruckraum 40 und einem dort angeordneten Niederdruckraum 42 erfolgt. Der Hochdruckraum 40 hat an der Anschlussplatte 6 eine Hochdruckmündung 41 und der Niederdruckraum 42 hat an der Anschlussplatte 6 eine Niederdruckmündung 43. Die Mündungen 41, 43 sind geeignet, mit einem Druckmittelanschluss verbunden zu werden. Zur alternierenden Druckmittelverbindung der hydrostatischen Arbeitsräume 24 mit den Druckräumen 40, 42 weist die Steuerplatte 38 Durchgangsausnehmungen in bekannter Weise auf. Hierzu betrachte man 2. Dabei ist zu erkennen, dass die Steuerplatte 38 eine große, nierenförmige Durchgangsausnehmung 44 oder Niederdruckniere 44 hat, die im Prinzip Teil des Niederdruckraumes 42 oder dessen axiale Verlängerung in der Steuerplatte 38 darstellt. Der Hochdruckraum 40 verlängert sich in die Steuerplatte 38 hinein über fünf, entlang dem gleichen Teilkreis wie die Niederdruckniere 44 angeordnete Durchgangsbohrungen 46.
3 zeigt diejenige Stirnseite der Anschlussplatte 6, die zum Verschluss des Gehäuseteils 4 stirnseitig auf dessen Öffnung gesetzt wird. Die Anschlussplatte 6 hat hierzu eine stirnseitige Dichtfläche 48, die gemäß 1 in Anlage mit einer ringförmigen Stirnfläche 50 des Gehäuseteils 4 bringbar ist. Die Anschlussplatte 6 hat zudem vier Durchgangsbohrungen 54, in die Schrauben zum anflanschen der Anschlussplatte 6 an das Gehäuseteil 4 einbringbar sind. In die Dichtfläche 48 ist eine Dichtnut 56, konzentrisch zur Drehachse 18 eingebracht. In sie ist zur Abdichtung eines Gehäuseinnenraums 58 gemäß 1, in dem die Zylindertrommel 16 aufgenommen ist, ein O-Ring (nicht dargestellt) eingebracht. Nach radial innen schließt sich eine gegenüber der Nut 56 erhabene Niederdruckfläche 60 an. Gemäß 1 fällt von der Niederdruckfläche 60 radial außen eine Umfangsfläche in die Dichtnut 56 ab, über die die Anschlussplatte 6 gemäß 1 an einer Innenmantelfläche des Gehäuseteils 4 zentriert ist. Nach radial innen schließt sich an die Niederdruckfläche 60, die gemäß 1 den Gehäuseinnenraum 58 axial abschließt, eine Auflagefläche 62 an, die gemäß 3 über eine Nut 64 in zwei im Wesentlichen ringförmige Teilflächen 62a und 62b unterteilt ist. 62a ist dabei eine radial innere Auflagefläche und 62b eine radial äußere Auflagefläche. Beide Auflageflächen 62a, 62b dienen gemäß 1 und 2 der als einzige Auflage der Steuerplatte 38 auf der Anschlussplatte 6.
In der Auflagefläche 62a ist eine der Niederdruckniere 44 entsprechende Niederdruckniere 44' und eine mit den Durchgangsbohrungen 46 der Steuerplatte 38 korrespondierende Hochdruckniere 46' ausgebildet. Die Auflagefläche 62a weist in Radialrichtung eine vergleichsweise geringe Erstreckung auf, so dass im Bereich der Niederdruck- und Hochdrucknieren 44', 46' eine Auflage der Steuerplatte 38 mit vergleichsweise hoher Flächenpressung erfolgt, auf diese Weise sind sowohl die Niederdruckniere 44' als auch die Hochdruckniere 46' bereits durch die Anpresskraft der Steuerplatte 38 auf die Auflagefläche 62a vergleichsweise gut gegeneinander abgedichtet. Dennoch breitet sich im Betrieb, ausgehend von der Hochdruckniere 46', zwischen der inneren Auflagefläche 62a und der aufliegenden Steuerplatte 38 ein Hochdruckfeld aus. Zur Begrenzung dieses Hochdruckfeldes, insbesondere zur Begrenzung der aus dem Hochdruckfeld resultierenden, auf die Steuerplatte 38 abhebend wirkenden Entlastungskraft, sind in der Anschlussplatte 6 zwei in radialer Richtung verlaufende Nuten 66 und 68 vorgesehen. Radial innen der inneren Auflagefläche 62a schließt sich eine gegen letztgenannte axial abgesenkte, ringförmige Niederdruckfläche 70 an. Über das Flächen- und Nutensystem aus Ringfläche 70, Radialnuten 68, 66 und der Ringnut 64 ergibt sich an der gezeigten Stirnseite der Anschlussplatte 6 gemäß den 2, 3, 4 und 5 ein Niederdruckfeld, das in Druckmittelverbindung mit dem Gehäuseinnenraum 58 gemäß 1 steht. Über dieses Niederdruckfeld ist das Hochdruckfeld begrenzt.
Bei Betrachtung der 2 bis 5 fallen zwei weitere Nuten 72 und 74 auf, die sich ausgehend von der inneren Auflagefläche 62a, die Ringnut 64 und die äußere Auflagefläche 62b kreuzend, bis in die Niederdruckfläche 60, von radial innen nach radial außen, ähnlich einem Spiralarm erstrecken. Die beiden Nuten 72, 74 sind Teil der erfindungsgemäßen Druckmittelkanäle, über die eine Absteuerung der Druckmittelverbindung der hydrostatischen Arbeitsräume 24 bei deren Wechsel von Hochdruck auf Niederdruck erfolgt.
Bei Betrachtung von 2 fällt auf, dass an der Steuerplatte 38, zwischen der Niederdruckniere 44 und der Gruppe Durchgangsbohrungen 46 der Hochdruckseite zwei Umsteuerflächen 76 und 78 angeordnet sind. Im Betrieb der Axialkolbenmaschine 1 - angenommen sei deren Pumpenbetrieb - ist die Drehrichtung der Zylindertrommel 16 wie in 2 dargestellt durch die beiden ausgeführten Pfeile symbolisiert, also entgegen dem Uhrzeigersinn gemäß 2. Bezogen auf 1 bewegt sich bei dieser Drehung der Zylindertrommel 16 der unten dargestellte Arbeitsraum 24 in die Betrachtungsebene hinein und der obere auf den Betrachter zu.
Überstreichen die Öffnungen 34 die Niederdruckniere 44 gemäß der genannten Drehrichtung, so fahren die Arbeitskolben 22 gemäß 1 aus der Zylinderbohrung 22 in Richtung der Schrägscheibe 30 aus. Dadurch wird aus dem Niederdruckraum 42 Druckmittel in den hydrostatischen Arbeitsraum 24 angesaugt, die hydrostatischen Arbeitsräume 24 werden also über ihre Öffnungen 34 mit Druckmittel niederen Drucks befüllt. Nahe einem maximalen Ausfahrhub oder Totpunkt der Arbeitskolben 22 überstreichen die Öffnungen 34 die Umsteuerfläche 76, so dass die hydrostatischen Arbeitsräume 24 durch die Umsteuerfläche 76 vom Niederdruckraum 24 getrennt werden. Es folgt noch eine geringfügige, zusätzliche Vergrößerung des hydrostatischen Arbeitsraumes 24 bis hin zum Totpunkt, der mit der Position der Radialnut 66 gemäß 4 zusammenfällt. Jenseits davon erfolgt das Einfahren des Arbeitskolbens 22 in die Zylinderbohrung 20. Im Hochdruckraum 40 steht unterdessen der Lastdruck des Verbrauchers an, hin zu dem die im Pumpenbetrieb arbeitende Axialkolbenmaschine 1 fördert. Bei weiterer Rotation entgegen dem Uhrzeigersinn gemäß 2 geraten die hydrostatischen Arbeitsräume 24 in Druckmittelverbindung mit dem Hochdruckraum 40. Aufgrund der schiefen Ebene der Schrägscheibe 30 und des daraus folgenden Einfahrhubes der Arbeitskolben 22 schieben diese das in den hydrostatischen Arbeitsräumen 24 befindliche Druckmittel in den Hochdruckraum 40 (hin zum Verbraucher) aus. Dies erfolgt über die Durchgangsausnehmungen 46 der Steuerplatte 38. Zwar könnte die Summe aus Durchgangsausnehmungen 46, ähnlich der Niederdruckniere 44, als geschlossene Niere ausgebildet sein. Da jedoch auf die Steuerplatte 38 im Bereich des Hochdrucks starke Radialkräfte wirken, erweist sich die gezeigte Ausführung mit mehreren Bohrungen, wodurch zwischen den Bohrungen Stege verbleiben, als stabiler.
Nach dem Überstreichen der letzten Durchgangsausnehmung 46 überstreicht die Öffnung 34 eines jeweiligen Arbeitsraumes 24 die Umsteuerfläche 78. Somit wird der hydrostatische Arbeitsraum 24 von dem Hochdruckraum 40 fluidisch getrennt. Bis zu dem Totpunkt der Umsteuerfläche 78, der diametral gegenüber dem Totpunkt der Umsteuerfläche 76 angeordnet ist, erfolgt weiterhin ein Einfahren des Arbeitskolbens 22 und damit eine Verringerung des Volumens des hydrostatischen Arbeitsraumes 24.
Wie bereits geschildert, erweist es sich als problematisch, den Hochdruck führenden Arbeitsraum 24 bei weiterer Umdrehung unmittelbar mit dem Niederdruckraum 42 zu verbinden. Wie weiter oben dargestellt, käme es zur abrupten Entspannung des im hydrostatischen Arbeitsraum 24 angeordneten Druckmittels in den Niederdruckraum 42 hinein und damit zu hohen Strömungsgeschwindigkeiten. Dies stört bei herkömmlichen Kolbenmaschinen das Ansaugverhalten im Arbeitszyklus bis hin zum Auftreten von Kavitation aufgrund von hohen Strömungsgeschwindigkeiten und niedrigem Druck. In diese Problematik greifen nun über die Absteuernuten 72 und 74 ausgebildeten Druckmittelkanäle ein.
Gemäß 2 sind im Bereich der Umsteuerflächen 76, 78 jeweils zwei Durchgangsbohrungen geringen Durchmessers, zueinander radial versetzt angeordnet. Gemäß den 2 und 3 ist eine radial außen angeordnete Durchgangsausnehmung 80 der Umsteuerfläche 78 in Druckmittelverbindung mit einem Endabschnitt der Absteuernut 72 und eine radial innen angeordnete Durchgangsausnehmung 82 der Umsteuerfläche 78 in Druckmittelverbindung mit einem Endabschnitt der Absteuernut 74. Von der Durchgangsausnehmung 80 und der Absteuernut 72, sowie der diese abdeckenden Steuerplatte 38, ist ein erster Druckmittelkanal und von der Durchgangsausnehmung 82, der Absteuernut 74 und der diese abdeckenden Steuerplatte 38 ist ein zweiter Druckmittelkanal gebildet.
Kommt man zurück auf die Beschreibung des Zyklus des hydrostatischen Arbeitsraumes 24 und seiner Öffnung 34, so gerät letztgenannte beim Überstreichen der Umsteuerfläche 78 zunächst in Druckmittelverbindung mit den beiden Durchgangsausnehmungen 80, 82, bevor sie den Arbeitsraum 24 in Druckmittelverbindung mit der Niederdruckniere 44 bringt. Auf diese Weise ist das sogenannte „Absteuern“ des im hydrostatischen Arbeitsraum 24 anstehenden Hochdrucks über die Druckmittelkanäle 80, 72 und 82, 74 (wie bereits erwähnt gebildet durch die Abdeckung durch die Steuerplatte 38) möglich. Die Entspannung des Druckmittels aus dem hydrostatischen Arbeitsraum 24 erfolgt also nicht in die Niederdruckniere 44, sondern kontrolliert über die Absteuernuten 72, 74 in den Gehäuseinnenraum 58.
Gemäß 4 und 5 weisen die Absteuernuten 72 und 74 Querschnittsverläufe auf, die dazu führen, dass in den Nuten 72, 74, und damit an der Anschlussplatte 6, eine Kavitation stark verringert oder sogar verhindert ist. Die Absteuernut 74, die detailliert in ihrer Querschnittsentwicklung in 5 gezeigt ist, hat einen ersten Abschnitt 84, der sich von der inneren Auflagefläche 62a bis zu einem radialen Innenrand der Ringnut 64 erstreckt. In diesem ersten Abschnitt 84 entwickelt sich der Strömungsquerschnitt des von der Absteuernut 74 und der diese abdeckenden Steuerplatte 38 gebildeten Druckmittelkanals stetig zunehmend. Auf diese Weise wird die Strömungsgeschwindigkeit im Druckmittelkanal stetig, also nicht sprunghaft, verlangsamt, so dass keine Strömungsablösung und auch keine Kavitation entstehen kann. Dadurch ist die Absteuernut 74 besser gegen Erosion und Beschädigung geschützt. Die gleichen Betrachtungen gelten für die Absteuernut 72 und den durch die abdeckende Steuerplatte 38 ausgebildeten Druckmittelkanal. Des Weiteren weist die Absteuernut 74 einen zweiten Abschnitt 86 auf, der sich radial außerhalb der äußeren Auflagefläche 62b erstreckt und der gemäß 2 nicht von der Steuerplatte 38 abgedeckt ist. Im zweiten Abschnitt 86 nimmt der Strömungsquerschnitt der Absteuernut 74 wieder stetig ab, wodurch die Strömung aus der Absteuernut 74 mit einer Richtungskomponente parallel zur Drehachse 18 in dem Gehäuseinnenraum 58 gelenkt wird. Versuche zeigen, dass diese Umlenkung eine Neigung zur Kavitation, insbesondere am Ende der Nut, weiterhin absenkt, was ggf. mit erhöhten Staudrücken zu erklären ist. Bei Betrachtung der 2 bis 5 fällt auf, dass die Absteuernut 74 im Wesentlichen mit der Drehrichtung (entgegen dem Uhrzeigersinn gemäß 2), und die Absteuernut 72 im Wesentlichen entgegen der Drehrichtung verläuft. Auch hier zeigen Versuche, dass sowohl das Vorhandensein zweier Druckmittelkanäle oder Absteuernuten, als auch die Ausrichtung der zweiten Absteuernut entgegen der Drehrichtung einen positiven Effekt auf die Eindämmung von Kavitation haben. Auch wenn nicht dargestellt, weist die Absteuernut 72 einen analogen Querschnittsverlauf mit erstem Abschnitt und zweitem Abschnitt auf wie die Absteuernut 74, so dass diesbezüglich weitere Erläuterungen entbehrlich sind.
Die Bemessung des ersten Abschnitts 84 gemäß 5 entspricht der Definition, dass der erste Abschnitt nicht nur einen zunehmenden, sondern einen sprungfrei zunehmenden Strömungsquerschnitt aufweist. Der erste Abschnitt 84 endet daher mit Erreichen der Ringnut 64, die (streng genommen) einen starken Querschnittssprung repräsentiert. Bei weniger strenger Betrachtungsweise und unter Ausgrenzung der Ringnut 64 aus der Bemessung des Strömungsquerschnitts des Druckmittelkanals ergibt sich eine Erstreckung des ersten Abschnitts 84 von der Auflagefläche 62a gemäß dem Bezugszeichen 84'.
Gemäß 2 sind in der Steuerplatte 38, den Durchgangsbohrungen 80, 82 gegenüberliegend, zwei andere Durchgangsbohrungen 88, 90 ausgebildet. Gemäß 3 korrespondieren die beiden mit einer aus der Hochdruckniere 46' endabschnittseitig herausführenden Umsteuerkerbe 92. Im Zyklus gerät der hydrostatische Arbeitsraum 24, der bis dahin mit Niederdruck-Druckmittel gefüllt ist, über die Umsteuerkerbe 92 und die Durchgangsbohrungen 88, 90 zunächst in gedrosselte Druckmittelverbindung mit der Hochdruckniere 46' und damit dem Hochdruckraum 40, bevor die jeweilige Öffnung 34 die erste Durchgangsbohrung 46 überstreicht. Auf diese Weise ist Kavitation im Bereich der Öffnung 34 der hydrostatischen Arbeitsräume 24 verhindert oder stark verringert.
Offenbart ist eine hydrostatische Kolbenmaschine mit hydrostatischen Arbeitsräumen, deren Öffnungen in alternierende Druckmittelverbindung mit Mündungen eines Hochdruckraumes und eines Niederdruckraumes der Kolbenmaschine und einer dazwischen angeordneten Umsteuerfläche gelangen, wobei wenigstens ein Druckmittelkanal vorgesehen ist, der einerseits in der Umsteuerfläche und andererseits in eine Druckmittelsenke der Kolbenmaschine mündet, vorgesehen ist, wobei ein Strömungsquerschnitt zumindest entlang einem ersten Abschnitt des Druckmittelkanals zur Druckmittelsenke hin zunimmt.
Bezugszeichenliste

1: hydrostatische Axialkolbenmaschine
2: Gehäuse
4: Gehäuseteil
6: Anschlussplatte
8: Triebwelle
9: Triebwellenstumpf
10,12: Wälzlager
14: Boden
16: Zylindertrommel
18: Drehachse
20: Zylinderbohrung
22: Arbeitskolben
24: hydrostatischer Arbeitsraum
26: Kolbenkopf
28: Gleitschuh
30: Schrägscheibe
32: Schwenkwiege
34: Öffnung
36: Stirnseite
38: Steuerplatte
40: Hochdruckraum
41: Hochdruckmündung
42: Niederdruckraum
43: Niederdruckmündung
44: Niederdruckniere
46: Hochdruckdurchgangsbohrung
48: Dichtfläche
50: Ringstirnfläche
54: Durchgangsbohrung
56: Dichtnut
58: Gehäuseinnenraum
60: Niederdruckfläche
62, 62a, 62b: Auflagefläche
64: Ringnut
66, 68: Radialnut
70: Niederdruckfläche
72, 74: Absteuernut
76, 78: Umsteuerfläche
80, 82: Durchgangsbohrung
84, 84': erster Abschnitt
86: zweiter Abschnitt
88,90: Durchgangsbohrung
92: Umsteuerkerbe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 3457873 [0006]
DE 102010055398 A1 [0008]

Claims

Hydrostatische Kolbenmaschine mit einer in einem Gehäuse (2, 4, 6) drehbar gelagerten Zylindertrommel (16) mit Zylinderbohrungen (20), in denen je ein Arbeitskolben (22) längsverschieblich aufgenommen ist, über den in der Zylinderbohrung (20) ein hydrostatischer Arbeitsraum (24) begrenzt ist, der an einer Außenfläche (36) der Zylindertrommel (16) eine Öffnung (34) aufweist, von der bei einer Drehung der Zylindertrommel (16) Mündungen (44, 46) eines Hochdruckraumes (40) und eines Niederdruckraumes (42) der Kolbenmaschine (1) und eine in Drehrichtung zwischen den beiden Mündungen (44, 46) angeordnete Umsteuerfläche (78) alternierend überstreichbar sind, wobei wenigstens ein Druckmittelkanal (80, 72, 82, 74) vorgesehen ist, der einerseits in die Umsteuerfläche (78) und andererseits in eine Druckmittelsenke (58) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckmittelkanal (80, 72, 82, 74) einen ersten Abschnitt (84, 84') hat, entlang dem ein Strömungsquerschnitt zur Druckmittelsenke (58) hin zunimmt.
Kolbenmaschine nach Anspruch 1, wobei der Druckmittelkanal (80, 72, 82, 74) in Richtung der Druckmittelsenke (58) einen dem ersten Abschnitt (84, 84') nachgeordneten zweiten Abschnitt (86) hat, entlang dem der Strömungsquerschnitt zur Druckmittelsenke hin konstant ist oder abnimmt, oder der eine Krümmung hin zur Druckmittelsenke (58) aufweist.
Kolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Druckmittelkanal (80, 72, 82, 74) mit ersten Abschnitt oder mit dem zweiten Abschnitt (86) in die Druckmittelsenke (58) mündet.
Kolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Strömungsquerschnitt zumindest des ersten Abschnitts (84) sprungfrei oder stetig zunimmt.
Kolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Innenmantelfläche des Druckmittelkanals (80, 72, 82, 74) oder zumindest des ersten Abschnitts (84) zumindest in Strömungsrichtung glatt und / oder stufenfrei ist.
Kolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Innenmantelfläche des Druckmittelkanals (80, 72, 82, 74) oder zumindest des ersten Abschnitts(84) zumindest in Strömungsrichtung tangentenstetig und / oder krümmungsstetig ist.
Kolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich der Druckmittelkanal (82, 74) ausgehend von seiner Mündung (82) in der Umsteuerfläche (78) mit der Drehrichtung erstreckt, und / oder wobei sich der Druckmittelkanal (80, 72) ausgehend von seiner Mündung (80) in der Umsteuerfläche (78) entgegen der Drehrichtung erstreckt.
Kolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich der Druckmittelkanal (80, 72, 82, 74) ausgehend von der Umsteuerfläche (78) nach radial außen erstreckt.
Kolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Umsteuerfläche (78) und die Mündungen (80, 82, 44, 46) des wenigstens einen Druckmittelkanals (80, 72, 82, 74) und des Hochdruckraumes (40) und des Niederdruckraumes (42), an einer von einem Gehäuseabschnitt (6) lösbaren Steuerplatte (38) ausgebildet sind, mit der die Außenfläche (36) in Anlage ist.
Kolbenmaschine nach Anspruch 9, wobei der Druckmittelkanal (80, 72, 82, 74) zumindest abschnittsweise von einer am Gehäuseabschnitt (6) ausgebildeten Nut (72, 74) und der diese Nut (72, 74) abschnittsweise abdeckenden Steuerplatte (38) gebildet ist.
Kolbenmaschine zumindest nach Anspruch 2 und 10, wobei ein Grund der Nut (72, 74), bezogen auf eine Auflagefläche (62a) des Gehäuseabschnitts (6), auf der die Steuerplatte (38) aufliegt, entlang dem ersten Abschnitt (84, 84') abfällt und entlang dem zweiten Abschnitt (86) ansteigt.
Kolbenmaschine zumindest nach Anspruch 2 und 10, wobei der zweite Abschnitt (86) nur von der Nut (72, 74) gebildet ist.
Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei sich der erste Abschnitt (84, 84') von einer Auflagefläche (62a) des Gehäuseabschnitts (6) ausgehend, auf der die Steuerplatte (38) aufliegt, erstreckt, oder wobei sich der erste Abschnitt mit Abstand zu einer Auflagefläche des Gehäuseabschnitts, auf der die Steuerplatte aufliegt, erstreckt.
Kolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit wenigstens zwei derartigen Druckmittelkanälen (80, 72, 82, 74), die in der gleichen Umsteuerfläche (78) münden.
Kolbenmaschine nach Anspruch 14, wobei die wenigstens zwei Druckmittelkanäle (80, 72, 82, 74) radial versetzt und / oder in Drehrichtung versetzt in der Umsteuerfläche (78) münden.