DE102018214481A1

DE102018214481A1 - Hydrostatische Verdrängermaschine

Info

Publication number: DE102018214481A1
Application number: DE102018214481.8A
Authority: DE
Inventors: Markus Kroneis
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-08-28
Filing date: 2018-08-28
Publication date: 2020-03-05
Also published as: CN110905751A; US11215172B2; US20200072205A1; CN110905751B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine hydrostatische Verdrängermaschine, die in ihrem Hubvolumen verstellbar ist und die ein Hubelement, einen Rotor mit Verdrängerelementen, die sich an dem Hubelement abstützen, und zur Verstellung des Hubvolumens eine hydraulische Stellvorrichtung aufweist, die einen Stellkolben umfasst, der in oder an einem Zylinder gelagert und gegenüber dem Zylinder geradlinig axial bewegbar ist und der an eine mit Druck beaufschlagbare Stellkammer angrenzt, wobei zwischen einer kreiszylindrischen Lagerfläche des Stellkolbens und einer kreiszylindrischen Lagerfläche des Zylinders ein Lagerspalt gebildet ist.Um die Stellvorrichtung reibungs-und verschleißarm zu machen und damit die Lebensdauer der Verdrängermaschine zu erhöhen, ist der Stellkolben hydrostatisch gelagert, wobei über den Umfang einer Lagerfläche mindestens drei Drucktaschen in einer Reihe gleichmäßig verteilt sind und wobei Druckflüssigkeit jeder Drucktasche über eine nur der jeweiligen Drucktasche zugeordnete Festdrossel zufließt und aus jeder Drucktasche über den Lagerspalt abfließt.

Description

Die Erfindung betrifft eine hydrostatische Verdrängermaschine, die in ihrem Hubvolumen verstellbar ist und die ein Hubelement, einen Rotor mit Verdrängerelementen, die sich an dem Hubelement abstützen, und zur Verstellung des Hubvolumens eine hydraulische Stellvorrichtung aufweist, die einen Stellkolben umfasst, der in oder an einem Zylinder gelagert und gegenüber dem Zylinder geradlinig axial bewegbar ist und der an eine mit Druck beaufschlagbare Stellkammer angrenzt, wobei zwischen einer kreiszylindrischen Lagerfläche des Stellkolbens und einer kreiszylindrischen Lagerfläche des Zylinders ein Lagerspalt gebildet ist.
Eine der artige hydrostatische Verdrängermaschine ist als Axialkolbenpumpe in Schrägscheibenbauweise zum Beispiel aus der DE 199 49 169 C2 bekannt. Bei dieser Axialkolbenpumpe stützen sich Verdrängerkolben, die parallel zur Drehachse einer Triebwelle in einer drehfest mit der Treibwelle gekoppelten Zylindertrommel axial bewegbar sind, an einer Schrägscheibe ab, die zur Verstellung des Hubvolumens um eine Schwenkachse verschwenkbar ist. Zur Verstellung ist eine Stellvorrichtung vorhanden, die einen becherförmigen und somit einen Innenraum aufweisenden Stellkolben umfasst, der sich über einen in der Schrägscheibe gehaltenen, abgeplatteten und ansonsten sphärischen Gleitstein an der Schrägscheibe abstützt und mit dem die Schrägscheibe in die eine Richtung verschwenkt werden kann. Der Innenraum im Stellkolben ist Teil einer Stellkammer, für die der Druckflüssigkeitszufluss und der Druckflüssigkeitsabfluss durch ein Regelventil oder mehrere Regelventile gesteuert wird und in der ein durch die zur Verschwenkung oder zum Halten der Schrägscheibe notwendige Kraft und durch die Wirkfläche des Stellkolbens bestimmter Stelldruck ansteht. In die Gegenrichtung wird die Schrägscheibe durch die unter Hochdruck stehenden Verdrängerkolben verschwenkt. Dazu ist die Schrägscheibe um eine Achse verschwenkbar, die einen Abstand von der Drehachse der Triebwelle hat.
Der tribologische Kontakt zwischen dem Stellkolben und dem Zylinder ist mit Reibung und deshalb auch mit Verschleiß behaftet. Dies ist insbesondere auch deshalb der Fall, weil im Betrieb auf den Stellkolben Querkräfte wirken. Bei der aus der DE 199 49 169 C2 bekannten hydrostatischen Axialkolbenpumpe findet bei einer Verschwenkung der Schrägscheibe eine relative Bewegung zwischen dem Gleitstein und dem Stellkolben statt. Die Reibung erzeugt eine Querkraft am Stellkolben. Bei anderen Konstruktionen können die Querkräfte auf den Stellkolben andere Ursachen haben.
Es sind auch in ihrem Hubvolumen verstellbare hydrostatische Verdrängermaschinen bekannt, bei denen das Hubelement durch einen Stellkolben, der von einem Ventil angesteuert wird, in die eine Richtung und durch einen sogenannten Gegenkolben, dessen Wirkfläche kleiner ist als die des Stellkolbens und der unmittelbar vom Hochdruck beaufschlagt wird, in die andere Richtung verstellt wird. Im Folgenden soll auch der Gegenkolben unter den Begriff Stellkolben subsumiert werden.
Außer hydrostatischen Axialkolbenmaschinen gibt es auch hydrostatische Radialkolbenmaschinen und hydrostatische Flügelzellenmaschinen mit Stellvorrichtungen zur Verstellung des Hubvolumens.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydrostatische Verdrängermaschine der gattungsgemäßen Art so weiterzuentwickeln, dass die Reibung und der Verschleiß in der Stellvorrichtung gering ist.
Diese Aufgabe wird für eine hydrostatische Verdrängermaschine der eingangs bezeichneten Art dadurch gelöst, dass der Stellkolben hydrostatisch gelagert ist, wobei über den Umfang einer Lagerfläche mindestens drei Drucktaschen in einer Reihe gleichmäßig verteilt sind und wobei Druckflüssigkeit jeder Drucktasche über eine nur der jeweiligen Drucktasche zugeordnete Festdrossel zufließt und aus jeder Drucktasche über den Lagerspalt abfließt. Bei einer derartigen hydrostatischen Lagerung ist jede Drucktasche fluidisch zwischen der Festdrossel und einer durch den Lagerspalt gebildeten variablen Drossel angeordnet. Nimmt die Lagerspaltweite auf einer ersten Seite des Stellkolbens zu, weil sich der Stellkolben zur gegenüberliegenden, zweiten Seite hin bewegt, so wird der Durchflussquerschnitt der variablen Drossel(n) auf der ersten Seite größer und der Druck in den Drucktaschen auf der ersten Seite sinkt. Auf der zweiten Seite wird der Lagerspalt enger, so dass der Durchflussquerschnitt der variablen Drossel kleiner wird und der Druck in den Drucktaschen der zweiten Seite ansteigt. Das Kräfteungleichgewicht zwingt den Stellkolben wieder zurück in eine zentrische Lage, in der die Lagerspaltweite rundum konstant ist. Dieses Resultat stellt sich unabhängig von der Belastung ein.
Die Erfindung kann für hydrostatische Verdrängermaschinen, die als Pumpe oder als Motor konzipiert sind oder in beiden Betriebsarten betreibbar sind, angewandt werden.
Bei einer besonders einfachen Ausführung sind die Festdrosseln zwischen der Stellkammer und den Drucktaschen angeordnet. Die Druckflüssigkeit fließt den Drucktaschen aus der Stellkammer zu.
Der Durchmesser der als Bohrungen ausgebildeten Festdrosseln liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 0,05 mm und 0,5 mm, so dass für die hydrostatische Lagerung des Stellkolbens nur wenig Druckflüssigkeit benötigt wird.
Alle Drucktaschen können dieselbe Form und Größe und alle Festdrosseln denselben Durchmesser haben.
Vorzugsweise sind in einer Lagerfläche in Bewegungsrichtung des Stellkolbens, also in axialer Richtung hintereinander, mehrere Reihen von Drucktaschen vorhanden. Bei einer derartigen Anordnung lässt sich eine konstante Höhe des Lagerspalts über einen Großteil der geführten Länge oder über die gesamte geführte Länge des Stellkolbens erreichen. Es ist günstig, wenn sich Drucktaschen zumindest in dem Bereich einer Lagerfläche befinden, der in jeder Position des Stellkolbens von der anderen Lagerfläche überdeckt ist. Das hat den Vorteil, dass Druckflüssigkeit nicht über die Festdrosseln und die Drucktaschen, die sich an einem Teil einer Lagerfläche befinden, der nicht in jeder Position des Stellkolbens von der anderen Lagerfläche überdeckt ist, ohne Drosselung durch einen Lagerspalt direkt in das Gehäuse der Verdrängermaschine abfließt und somit die für die hydrostatische Lagerung benötigte Druckflüssigkeitsmenge gering gehalten wird.
Für die Drucktaschen sind verschiedene Formen denkbar. Die Drucktaschen können Vielecke, insbesondere Dreiecke oder Vierecke, insbesondere Rechtecke, insbesondere Quadrate sein. Denkbar sind auch Ellipsen, insbesondere Kreise. Bevorzugt sind die Drucktaschen rechteckig.
Ebenfalls bevorzugt ist die Erstreckung der Drucktaschen in Umfangsrichtung größer ist als in axialer Richtung, insbesondere sind die Drucktaschen in Umfangsrichtung etwa 10-mal so groß wie in axialer Richtung.
Die Drucktaschen befinden sich vorteilhafterweise in der Lagerfläche des Stellkolbens, da dieser als Einzelteil auf einfache Weise gut bearbeitet werden kann.
Es sind hydrostatische Verdrängermaschinen bekannt, bei denen der Stellkolben becherförmig mit einem Innenraum als Stellkammer oder als Teil der Stellkammer gestaltet ist und mit seiner Außenfläche in dem Zylinder gelagert und geführt ist. In einer besonderen Ausführungsform befinden sich die Drucktaschen in der Außenfläche des Stellkolbens, wobei die Festdrosseln durch Bohrungen gebildet sind, die vom Innenraum durch die Wand des Stellkolbens in die Drucktaschen führen. Ist der Stellkolben auf einem Zylinder geführt, so können sich die Drucktaschen auf der Außenseite des Zylinders befinden.
Die Drucktaschen können sich auch in der nach innen gerichteten Lagerfläche der beiden Lagerflächen befinden. Dies hat den Vorteil, dass über die gesamte Führungslänge Drucktaschen vorhanden sein können, ohne dass Druckflüssigkeit aus der Stellkammer über die Festdrosseln und die Drucktaschen in das Gehäuse der Verdrängermaschine abfließt. Die Drucktaschen, die von der anderen Lagerfläche nicht überdeckt sind, sind im Zu- und im Ablauf zur Stellkammer hin offen und ohne jede Wirkung.
Drucktaschen können über nahezu die gesamte axiale Länge einer Lagerfläche hinweg in dieser vorhanden sind.
Die Erfindung ist mit besonderen Vorteilen anwendbar bei hydrostatischen Axialkolbenmaschinen, insbesondere bei hydrostatischen Axialkolbenmaschinen in Schrägscheibenbauweise, bei denen der Stellkolben im Wesentlichen in axialer Richtung, also in Richtung der Achse der Treibwelle bewegbar ist.
Eine erfindungsgemäße hydrostatische Lagerung des Stellkolbens ist besonders vorteilhaft für einen Stellkolben, der an eine Stellkammer angrenzt, deren Flüssigkeitsbeaufschlagung durch ein Ventil gesteuert wird. Ein solcher Stellkolben hat üblicherweise einen recht großen Querschnitt, so dass das Verhältnis von Führungslänge zu Querschnitt recht klein ist. Ein gegebenenfalls vorhandener Gegenkolben, der dauernd vom Hochdruck beaufschlagt ist, hat einen kleineren Querschnitt als der Stellkolben. Bei einem Gegenkolben ist deshalb auch im allgemeinen das Verhältnis von Führungslänge zu Querschnitt günstiger als beim Stellkolben. Eine hydrostatische Lagerung ist deshalb besonders günstig bei einem Stellkolben, jedoch auch bei einem Gegenkolben von Vorteil.
Zwei jeweils als hydrostatische Axialkolbenpumpe in Schrägscheibenbauweise ausgebildete Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen hydrostatischen Verdrängermaschine sowie verschiedene Arten von Stellkolben sind in den Zeichnungen dargestellt. Anhand der Figuren dieser Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert.
Es zeigen

1 einen Längsschnitt durch das erste Ausführungsbeispiel, bei dem die Schrägscheibe in die eine Richtung durch einen Stellkolben und in die Gegenrichtung durch eine Feder und durch Triebwerkskräfte verschwenkt wird,
2 einen Längsschnitt durch das erste Ausführungsbeispiel im Bereich des Stellkolbens in einem gegenüber 1 vergrößerten Maßstab,
3 eine Ansicht einer ersten Variante eines im ersten Ausführungsbeispiel verwendbaren Stellkolbens, wobei dieser einen einzigen Ring von Drucktaschen hat,
4 eine Ansicht einer zweiten Variante eines im ersten Ausführungsbeispiel verwendbaren Stellkolbens, wobei dieser wie der Stellkolben aus den 1 und 2 wiederum zwei Ringe von Drucktaschen hat,
5 eine Ansicht einer dritten Variante eines im ersten Ausführungsbeispiel verwendbaren Stellkolbens, wobei dieser drei Ringe von Drucktaschen hat,
6 eine Ansicht einer vierten Variante eines im ersten Ausführungsbeispiel verwendbaren Stellkolbens, wobei dieser über seine gesamte Länge hinweg insgesamt acht Ringe von Drucktaschen hat, und
7 einen Längsschnitt durch das zweite Ausführungsbeispiel, bei dem die Schrägscheibe in die eine Richtung durch einen Stellkolben und in die Gegenrichtung durch eine Feder und einen Gegenkolben verschwenkt wird.

Die hydrostatischen Axialkolbenmaschinen nach den 1, 2 und 8 sind dafür vorgesehen, um als in ihrem Verdrängungsvolumen verstellbare Axialkolbenpumpe einen oder mehrere hydraulische Verbraucher, wie zum Beispiel Hydrozylinder, in einem offenen hydraulischen Kreislauf mit Druckmittel zu versorgen, und in Schrägscheibenbauart ausgeführt. Offener hydraulischer Kreislauf heißt, dass die Axialkolbenpumpe über einen Sauganschluss 8 Druckmittel aus einem Tank ansaugt und über einen Druckanschluss 9 an die hydraulischen Verbraucher abgibt und dass das von den hydraulischen Verbrauchern wegströmende Druckmittel in den Tank zurückfließt. Der Sauganschluss 8 und der Druckanschluss 9 sind die beiden Arbeitsanschlüsse der Axialkolbenpumpe, die in 1 durch gestrichelte Kreise angedeutet sind. Der Volumenstrom der Axialkolbenpumpe ist proportional zur Antriebsdrehzahl und zum Verdrängungsvolumen, das die pro Umdrehung geförderten Druckmittelmenge ist.
Die in den 1 und 2 gezeigte Axialkolbenpumpe umfasst ein Gehäuse 10 mit einem topfartigen Gehäuseteil 11 und mit einer Anschlussplatte 12, in der die Arbeitsanschlüsse ausgebildet sind und durch die das offene Ende des Gehäuseteils 11 verschlossen ist. Die Axialkolbenpumpe umfasst weiterhin eine Antriebswelle 13, eine Zylindertrommel 14 als Rotor, einen Steuerspiegel 15, der eine von der Anschlussplatte 12 separate Steuerplatte ist, der zwischen der Zylindertrommel 14 und der Anschlussplatte 12 angeordnet ist und der relativ zur Anschlussplatte feststeht, sowie als Hubelement eine in ihrer Neigung bezüglich der Drehachse 16 der Antriebswelle 13 verstellbare Schrägscheibe 17, die wegen ihrer Verschwenkbarkeit auch Schwenkwiege genannt wird. Diese kann zwischen einer Position, in der sie nahezu senkrecht zur Achse der Antriebswelle 12 steht und die als Nullstellung bezeichnet wird, und einer in 1 gezeigten Position maximalen Schwenkwinkels verschwenkt werden. Eine Verschwenkung über die Nullstellung ist nicht möglich. Die Zylindertrommel 14, die Steuerplatte 15 und die Schwenkwiege 17 sind von dem Innenraum 18 des Gehäuseteils 11 aufgenommen.
Zur Abfuhr von Lecköl hat das Gehäuseteil 11 einen Leckölanschluss 19, der in der 1 durch eine Verschlussschraube 20 verschlossen ist.
Die Antriebswelle 13 ist im Boden des Gehäuseteils 11 und in der Anschlussplatte 12 über Kegelrollenlager 21 und 22 drehbar um die Drehachse 16 gelagert und greift zentriert durch einen zentralen Durchbruch der Zylindertrommel 14 hindurch. Diese ist mit der Antriebswelle 13 drehfest, jedoch axial beweglich verbunden und kann deshalb ohne Spiel an der Steuerplatte 15 anliegen.
Die Zylindertrommel 14 ist im Wesentlichen ein kreiszylindrischer Körper mit einer Mittelachse 25. Sie besitzt einen in Richtung der Mittelachse durchgehenden, zentralen Hohlraum 26, durch den die Antriebswelle 13 hindurchgeht. In dem zentralen Hohlraum 26 ist eine die Antriebswelle 13 umgebende Schraubendruckfeder 27 untergebracht, die sich mit ihrem einen Ende an einem in die Zylindertrommel 14 eingesetzten Sicherungsring 28 und mit ihrem anderen Ende letztendlich an der Schrägscheibe 17 abstützt und die Zylindertrommel gegen die Steuerplatte 15 drückt. Im Bereich eines in Richtung auf die Schwenkwiege 17 vorspringenden Trommelhalses mit einem verringerten Außendurchmesser ist die Zylindertrommel 14 innen mit einer Verzahnung 29 versehen, die in eine entsprechende Verzahnung 30 der Antriebswelle 13 eingreift. Über die Verzahnungen ist die Zylindertrommel 14 drehfest, jedoch axial beweglich mit der Antriebswelle 13 verbunden. Aufgrund der axialen Beweglichkeit kann die Zylindertrommel 14 von der Schraubendruckfeder 27 ohne Spiel an den Steuerspiegel 14 angedrückt werden.
In die Zylindertrommel 14 sind über den Umfang gleichmäßig verteilt eine Mehrzahl von zum Beispiel sieben auf dem gleichen Teilkreis liegende im Querschnitt kreiszylindrische Zylinderräume 35 eingebracht, die parallel zur Mittelachse 25, die mit der Drehachse 16 der Antriebswelle 13 zusammenfällt, verlaufen. Im Folgenden werden die Zylinderräume wegen ihres kreiszylindrischen Querschnitts als Zylinderbohrungen bezeichnet, auch wenn sie nicht oder nicht allein durch Bohren aus dem vollen Material hergestellt sind. Von jeder Zylinderbohrung 35 ist als Verdrängerelement ein Verdrängerkolben 36 aufgenommen und in Längsrichtung geführt.
Die Verdrängerkolben 36 weisen an dem der Schwenkwiege 17 zugewandten Ende einen kugelförmigen Kopf 37 auf, der unverlierbar in eine korrespondierende Ausnehmung eines Gleitschuhs 38 eintaucht, so dass zwischen Verdrängerkolben und Gleitschuh ein Kugelgelenk gebildet ist. Mittels der Gleitschuhe 38 stützen sich die Verdrängerkolben 36 an der Schwenkwiege 17 ab, so dass sie im Betrieb in den Zylinderbohrungen 35 eine Hubbewegung ausführen. Die Größe des Hubs wird dabei von der Neigung der verschwenkbaren Schwenkwiege 17 bestimmt. Zur Verstellung der Neigung der Schwenkwiege 17 ist eine Verstellvorrichtung 40 vorgesehen
Damit die Verdrängerkolben 36 nicht von der Schwenkwiege 17 abheben, sondern auch während des sogenannten Saughubs an der Schwenkwiege verbleiben, ist eine Rückzugplatte 41 vorgesehen, die in bekannter Weise über verschiedene nicht näher bezeichnete Bauteile von der Schraubendruckfeder 27 in Richtung auf die Schwenkwiege zu belastet ist. Somit stützt sich das zweite Ende der Schraubendruckfeder 27 unter anderen über die Rückzugplatte 41 und die Gleitschuhe 38 an der Schwenkwiege 17 ab und sorgt somit nicht nur dafür, dass die Zylindertrommel 14 auch ohne Betriebsdruck an der Steuerplatte 15 gedrückt wird, sondern auch dafür, dass die Verdrängerkolben 36 während des Saughubs aus den Zylinderbohrungen 35 herausgezogen werden und die Gleitschuhe 38 an der Schwenkwiege 17 verbleiben.
Die Schwenkwiege 17 ist über zwei kreiszylindrische Lagerflächen 42 in in das Gehäuseteil 11 eingesetzten Lagerschalen 43 um eine Schwenkachse 44 schwenkbar im Gehäuse 10 gelagert, die senkrecht zu der Zeichenebene nach 1 verläuft. Und zwar ist die Schwenkwiege exzentrisch gelagert. Die Schwenkachse 44 hat also einen Abstand von der Drehachse 16 der Antriebswelle 12 und ist aus der Drehachse 16 zu der Seite hin verlagert, auf der die Verstellvorrichtung 40 an der Schwenkwiege angreift.
Mit der Verstellvorrichtung 40 kann die Schwenkwiege 15 nur hin zu kleineren Schwenkwinkein verstellt werden. In Richtung einer Vergrößerung des Schwenkwinkels wirkt zum einen eine Rückstellfeder 45, die zwischen dem Gehäuse 10 und der Schwenkwiege 17 eingespannt ist und dafür sorgt, dass im drucklosen Fall die Schwenkwiege 17 maximal ausgeschwenkt ist. Zum andern wirken aufgrund der exzentrischen Lagerung der Schwenkwiege 17 im Betrieb die Triebwerkskräfte, die von den sich gerade auf der Hochdruckseite befindlichen Verdrängerkolben 36 auf die Schwenkwiege ausgeübt werden, in Ausschwenkrichtung.
Die Verstellvorrichtung 40 umfasst einen Stellkolben 50, der becherförmig ausgebildet und in einer kreiszylindrischen, im Folgenden Zylinder genannten Aufnahme 51 des Gehäuses 11 gleitend geführt ist. Der Zylinder 51 ist zum Innenraum 18 hin und nach außen hin offen und hat eine Achse, die zusammen mit der Drehachse 16 der Triebwelle 13 eine Ebene aufspannt, auf der die Schwenkachse 44 der Schwenkwiege 17 senkrecht steht. Die Achse des Zylinders 51 ist gegen die Drehachse 16 nur leicht geneigt, so dass sich auch der Stellkolben 50 in einer in Bezug zur Drehachse 16 leicht geneigten Richtung bewegt. Wird bei einer hydrostatischen Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise ein Stellkolben derart leicht geneigt oder parallel zur Drehachse der Triebwelle geführt, so spricht man von einer Axialkolbenmaschine mit einer Längsverstellung.
Der Stellkolben 50 liegt mit der Außenseite seines Bodens 52 an einem Gleitstein 53 an, der allseitig beweglich, aber unverlierbar in einer Kugelkalotte der Schwenkwiege 17 eingesetzt ist. Der Raum im Innern des Stellkolbens 50 und vor der offenen Stirnseite des Stellkolbens bildet die Stellkammer 54. Diese ist also in die eine Richtung durch den Boden des Stellkolbens 50 zum Innern des Gehäuses 11 verschlossen. Von außen ist in den Zylinder 51 ein Regelventil 55 eingesetzt, das die Stellkammer 54 nach außen abschließt und den Zufluss zu und den Abfluss von Druckflüssigkeit aus der Stellkammer 54 steuert. Das Regelventil 55 hat einen Ventilkolben 56, der in die eine Richtung von einem Proportionalelektromagneten 57 und in die andere Richtung von einer Schraubendruckfeder 58, die sich am Stellkolben 50 abstützt, beaufschlagt ist. Hinsichtlich des Drucks in der Stellkammer 54 ist der Ventilkolben 56 ausgeglichen. Dadurch werden der Stellkolben 50 und mit ihm die Schwenkwiege 17 bei einer bestimmten Bestromung des Proportionalelektromagneten 57 und damit bei einer bestimmten auf den Ventilkolben 56 ausgeübten Magnetkraft jeweils in eine solche Position gebracht, dass die Kraft der Schraubendruckfeder 58 genauso groß wie die Magnetkraft ist. Man erhält auf diese Weise eine elektroproportionale Verstellung der Schwenkwiege 17.
Der Stellkolben 50 ist unmittelbar in dem Zylinder 51 hydrostatisch gelagert. Dazu ist er auf seiner eine Lagerfläche bildenden Außenfläche 64 mit mindestens einem Ring von mehreren, vorliegend von acht gleichen einzelnen Drucktaschen 65 versehen. Der Winkelabstand zwischen zwei benachbarten Drucktaschen 65 ist immer derselbe. In axialer Richtung des Stellkolbens 50 sind die Drucktaschen 65 sehr schmal. In Umfangsrichtung erstreckt sich eine Drucktasche 65 über etwa acht Prozent des Umfangs des Stellkolbens 50 und hat in Umfangsrichtung eine Länge, die etwa zehn bis zwölfmal so groß wie die Breite in axialer Richtung ist. Die Drucktaschen 65 sind also schmale Nuten, die durch ein Fräs- oder Sägewerkzeug hergestellt werden können.
Jede Drucktasche 65 ist über eine Bohrung 66 mit dem Innern des Stellkolbens 50 und damit mit der Stellkammer 54 fluidisch verbunden. Die Bohrung 66 stellt eine Festdrossel dar. Zwischen der Außenfläche 64 des Stellkolbens 50 und der Innenwand 67 des Zylinders 51, die die gehäuseseitige Lagerfläche für den Stellkolben 50 darstellt, besteht ein Lagerspalt 68, über den Druckflüssigkeit, die einer Drucktasche 65 über die Festdrossel 66 zufließt, in den Innenraum 18 des Gehäuses 10, in dem Tankdruck ansteht, gelangen kann. Der Lagerspalt 68 stellt eine in Reihe zu der Festdrossel angeordnete variable Drossel für den Abfluss von Druckflüssigkeit aus einer Drucktasche 65 in das Gehäuse dar.
Wenn eine Druckflüssigkeit über zwei in Reihe zueinander geschalteten Drosseln fließt, stellt sich zwischen den beiden Drosseln ein Druck ein, der von dem Druck stromauf der ersten Drossel und von dem Druck stromab der zweiten Drossel und von dem jeweiligen hydraulischen Widerstand der beiden Drosseln abhängt. Haben die beiden Drosseln denselben hydraulischen Widerstand, so liegt der Druck zwischen den beiden Drosseln genau in der Mitte zwischen dem stromaufwärtigen Druck und dem stromabwärtigen Druck. Ist der hydraulische Widerstand der zweiten Drossel kleiner als derjenige der ersten Drossel, so liegt der Druck zwischen den beiden Drosseln näher am stromabwärtigen Druck, ist der hydraulische Widerstand der zweiten Drossel größer als derjenige der ersten Drossel, so liegt der Druck zwischen den beiden Drosseln näher am stromaufwärtigen Druck.
Wenn der Stellkolben 50 bezüglich des Zylinders 51 zentriert ist, so ist der hydraulische Widerstand des Lagerspalts 68 für die Drucktaschen 65 eines umlaufenden Rings von Drucktaschen gleich. Da die Festdrosseln ohnehin für alle Drucktaschen 65 denselben hydraulischen Widerstand haben, herrscht in allen Drucktaschen 65 derselbe Druck und die von den Drücken in den Drucktaschen am Stellkolben erzeugten Kräfte heben sich auf. Verlagert sich nun der Stellkolben 50 zur einen Seite hin, so werden an dieser Seite der Lagerspalt kleiner und damit der hydraulische Widerstand der variablen Drosseln größer und auf der anderen Seite der Lagerspalt größer und damit der hydraulische Widerstand der variablen Drosseln kleiner. Am hydraulischen Widerstand der Festdrosseln ändert sich nichts. Somit steigen auf der Seite, zu der hin sich der Stellkolben 50 verlagert hat, die Drücke in den Drucktaschen an, während auf der anderen Seite die Drücke in den Drucktaschen abnehmen. Es entsteht ein Kräfteungleichgewicht, das den Stellkolben 50 in die zentrierte Position zurückdrängt. Auf diese Weise wird eine konstante Breite des Lagerspalts um den Stellkolben 50 herum erreicht.
Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen hydrostatischen Axialkolbenpumpe hat der Stellkolben 50 zwei Ringe von jeweils acht Drucktaschen 65. Der erste Ring befindet sich in einem geringen Abstand von der der Schwenkwiege 17 zugewandten Stirnseite des Stellkolbens, der zweite Ring etwa mittig des Stellkolbens. Die Positionierung des ersten Rings führt zwar dazu, dass die Drucktaschen 65 dieses Rings ausgehend von einer zur maximal verschwenkten Schwenkwiege korrespondierenden Position des Stellkolbens nach einem gewissen Hub nicht mehr von der Lagerfläche des Zylinders 51 überdeckt werden und Druckflüssigkeit aus der Stellkammer 54 über die Festdrosseln 66 der nicht mehr überdeckten Drucktaschen 65 in den Innenraum 18 des Gehäuses 10 fließt. Die abfließende Menge ist jedoch gering, da der Durchmesser der Festdrosseln im Bereich zwischen 0,05 mm und 0,5 mm liegt. Der zweite Ring von Drucktaschen 65 bleibt in jeder Position des Stellkolbens 50 von der Lagerfläche des Zylinders 51 überdeckt.
Die in 3 gezeigte Variante eines Stellkolbens 50 hat nur einen Ring von acht einzelnen Drucktaschen 65, wobei sich die Drucktaschen in einem geringen Abstand von der der Schwenkwiege 17 zugewandten Stirnseite des Stellkolbens befinden.
Die in 4 gezeigte Variante eines Stellkolbens 50 hat wiederum zwei Ringe von jeweils acht einzelnen Drucktaschen 65, wobei sich der erste Ring in einem geringen Abstand von der der Schwenkwiege 17 zugewandten Stirnseite und der zweite Ring in einem geringen Abstand von der offenen Stirnseite des Stellkolbens befindet.
Die in 5 gezeigte Variante eines Stellkolbens 50 hat zusätzlich zu den beiden Ringen von Drucktaschen 65 der Variante aus 4 einen weiteren Ring von Drucktaschen 65 etwa mittig des Stellkolbens.
Die in 6 gezeigte Variante eines Stellkolbens 50 hat insgesamt acht Ringe mit jeweils acht Drucktaschen 65, wobei die Ringe in gleichen Abständen zueinander über die gesamte Länge des Stellkolbens verteilt sind.
In einer weiteren nicht dargestellten Variante kann der Ring, der sich bei der Variante gemäß 5 im geringen Abstand zu der der Schwenkwiege 17 zugewandten Stirnseite des Stellkolbens 50 befindet, weggelassen sein, so dass nur der Ring an der anderen Stirnseite und der Ring mittig des Stellkolbens vorhanden sind. Dann sind alle Drucktaschen unabhängig von der betrieblichen Position des Stellkolbens immer überdeckt.
Bei dieser Variante sowie bei den Varianten gemäß den 5 und 6 wird der Stellkolben in jeder Position gut über seine gesamte Länge zentriert.
Die in 7 gezeigte hydrostatische Axialkolbenpumpe umfasst wie die Axialkolbenpumpe aus 1 ein Gehäuse 10 mit einem topfartigen Gehäuseteil 11 und mit einer Anschlussplatte 12, in der die Arbeitsanschlüsse ausgebildet sind und durch die das offene Ende des Gehäuseteils 11 verschlossen ist. Die Axialkolbenpumpe umfasst weiterhin eine Antriebswelle 13, eine Zylindertrommel 14 als Rotor, einen Steuerspiegel 15, der eine von der Anschlussplatte 12 separate Steuerplatte ist, der zwischen der Zylindertrommel 14 und der Anschlussplatte 12 angeordnet ist und der relativ zur Anschlussplatte feststeht, sowie als Hubelement eine in ihrer Neigung bezüglich der Drehachse 16 der Antriebswelle 13 verstellbare Schwenkwiege 17. Diese kann zwischen einer Position, in der sie nahezu senkrecht zur Achse der Antriebswelle 12 steht und die als Nullstellung bezeichnet wird, und einer in 7 gezeigten Position maximalen Schwenkwinkels verschwenkt werden. Die Zylindertrommel 14, die Steuerplatte 15 und die Schwenkwiege 17 sind von dem Innenraum 18 des Gehäuseteils 11 aufgenommen.
Anders als bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist bei der Axialkolbenpumpe nach 7 die Schwenkwiege 17 mittig gelagert. Die Schwenkachse 44 der Schwenkwiege schneidet also senkrecht die Drehachse 16 der Triebwelle 13. Zur Verschwenkung der Schwenkwiege in die eine Richtung ist ein becherförmiger Stellkolben 70 vorhanden, der eine Stellkammer 54 begrenzt, der über ein nicht näher gezeigtes Regelventil Druckflüssigkeit zugeführt und aus der über das Regelventil Druckflüssigkeit verdrängt werden kann. Anders als bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 ist der Stellkolben 70 nicht in einer kreiszylindrischen Ausnehmung des Gehäuseteils 11, sondern mit einer Innenfläche 71 au-ßen auf einem in die Anschlussplatte 12 eingesetzten Hohlzylinder 72 gelagert, dessen Inneres Teil der Stellkammer 54 ist. Drucktaschen 65 befinden sich nun in der Außenfläche 73 des Hohlzylinders 72. Die Drucktaschen 65 sind über in die Wand des Hohlzylinders 72 eingebrachte Bohrungen, die die den Drucktaschen zugeordneten Festdrossel 66 darstellen, fluidisch mit der Stellkammer 54 verbunden. Die Drucktaschen können am Hohlzylinder 72 in verschiedenen Varianten analog den in den 1 bis 6 gezeigten Varianten für die Anordnung am Stellkolben angeordnet sein.
Für die Verstellung der Schwenkwiege 17 in die Gegenrichtung sind ein auch Gegenkolben genannter Stellkolben 74, der innen in einem in die Anschlussplatte 12 eingesetzten Hohlzylinder 75 gelagert ist und an eine Stellkammer 76 angrenzt, und eine Schraubendruckfeder 77 vorhanden, die den Hohlzylinder 75 und den Gegenkolben 74 umgibt und aufgrund der die Schwenkwiege 17 maximal verschwenkt ist, wenn in den Stellkammern keine Drücke anstehen. In der Stellkammer 76 steht jeweils der Druck aus dem Druckanschluss der Pumpe an. Da aber die Wirkfläche des Gegenkolbens 74 kleiner ist als die Wirkfläche des Stellkolbens 70, kann die Schwenkwiege 17 durch den Stellkolben 70 gegen die von der Schraubendruckfeder 77 und vom Gegenkolben 74 auf die Schwenkwiege ausgeübten Kräfte verschwenkt werden.
Grundsätzlich ist es denkbar, auch für den Gegenkolben 74 eine hydrostatische Lagerung an dem Hohlzylinder 75 vorzusehen.
Anders als bei den gezeigten Ausführungsbeispielen, bei denen sich die Drucktaschen jeweils in einer als Lagerfläche dienenden Außenfläche eines Bauteils der hydrostatischen Verdrängermaschine befinden, können sich die Drucktaschen auch in der als Lagerfläche dienenden Innenfläche befinden. Bei einer Abänderung des Ausführungsbeispiels aus 1 würden sich dann die Drucktaschen in der Wand des Zylinders 51, also in dem Gehäuseteil 11 befinden. In Abänderung des Ausführungsbeispiels nach 7 wären die Drucktaschen in die Innenfläche des Stellkolbens 70 eingebracht. Die Festdrosseln sind dann durch Bohrungen in dem Gehäuseteil 11 beziehungsweise in dem Stellkolben 70 realisiert. Dies hat den schon weiter oben angeführten Vorteil, dass über die gesamte Führungslänge Drucktaschen vorhanden sein können, ohne dass Druckflüssigkeit aus der Stellkammer über die Festdrosseln und die Drucktaschen in das Gehäuse der Verdrängermaschine abfließt. Die Drucktaschen, die von der anderen Lagerfläche nicht überdeckt sind, sind im Zu- und im Ablauf zur Stellkammer hin offen und ohne jede Wirkung.
Ebenfalls anders als bei den gezeigten Ausführungsbeispielen kann zwischen Stellkolben und Führung ein Zwischenelement hinzugefügt sein, das die Drucktaschen beinhaltet. In dem Zwischenelement sind zudem die die Festdrosseln darstellenden Bohrungen realisiert.
Das Zwischenelement erscheint besonders vorteilhaft dafür zu sein, die Drucktaschen in einer als Lagerfläche dienenden Innenfläche vorzusehen. Das Zwischenelement ist ein Hohlzylinder, in dessen Innenwand die Drucktaschen eingefräst sind und in den von außen die die Festdrosseln darstellenden Bohrungen eingebracht sind. Zusätzlich können in der Außenfläche des Zwischenelements zunächst noch offene Längsnuten ausgebildet werden, die die Festdrosseln mit der Stellkammer verbinden. Nach dem Einsetzen des Zwischenelements in das Gehäuse oder in den Stellkolben sind die Längsnuten abgedeckt und damit nur noch zur Stellkammer hin offen. Man hat somit Drucktaschen in einer inneren Lagerfläche mit dem oben genannten Vorteil.
Bezugszeichenliste

8: Sauganschluss
9: Druckanschluss
10: Gehäuse
11: topfartigen Gehäuseteil
12: Anschlussplatte
13: Antriebswelle
14: Zylindertrommel
15: Steuerplatte
16: Drehachse von 13
17: Schwenkwiege
18: Innenraum von 11
19: Leckölanschluss
20: Verschlussschraube
21: Kegelrollenlager
22: Kegelrollenlager
25: Mittelachse von 14
26: zentraler Hohlraum von 14
27: Schraubendruckfeder
28: Sicherungsring
29: Verzahnung an 14
30: Verzahnung an 13
35: Zylinderbohrungen in 14
36: Verdrängerkolben
37: kugelförmigen Kopf von 36
38: Gleitschuh
40: Verstellvorrichtung
41: Rückzugplatte
42: Lagerflächen von 17
43: Lagerschalen
44: Schwenkachse von 17
45: Rückstellfeder
50: Stellkolben
51: Zylinder für 50
52: Boden von 50
53: Gleitstein
54: Stellkammer
55: Regelventil
56: Ventilkolben
57: Proportionalelektromagnet
58: Schraubendruckfeder
64: Außenfläche von 50
65: Drucktaschen
66: Festdrossel
67: Innenwand von 51
68: Lagerspalt zwischen 50 und 51
70: Stellkolben
71: Innenfläche von 70
72: Hohlzylinder
73: Außenfläche von 72
74: Gegenkolben
75: Hohlzylinder
76: Stellkammer
77: Schraubendruckfeder

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19949169 C2 [0002, 0003]

Claims

Hydrostatische Verdrängermaschine, die in ihrem Hubvolumen verstellbar ist und die ein Hubelement (17), einen Rotor (14) mit Verdrängerelementen (36), die sich an dem Hubelement (17) abstützen, und zur Verstellung des Hubvolumens eine hydraulische Stellvorrichtung (40) aufweist, die einen Stellkolben (50, 70) umfasst, der in oder an einem Zylinder (51, 72) gelagert und gegenüber dem Zylinder (51, 72) geradlinig axial bewegbar ist und der an eine mit Druck beaufschlagbare Stellkammer (54) angrenzt, wobei zwischen einer kreiszylindrischen Lagerfläche (64, 71) des Stellkolbens (50, 70) und einer kreiszylindrischen Lagerfläche (67, 73) des Zylinders (51, 72) ein Lagerspalt (68) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellkolben (50, 70) hydrostatisch gelagert ist, wobei über den Umfang einer Lagerfläche (64, 73) mindestens drei einzelne Drucktaschen (65) in einer Reihe gleichmäßig verteilt sind und wobei Druckflüssigkeit jeder Drucktasche (65) über eine nur der jeweiligen Drucktasche (65) zugeordnete Festdrossel (66) zufließt und aus jeder Drucktasche (65) über den Lagerspalt (68) abfließt.
Hydrostatische Verdrängermaschine nach Patentanspruch 1, wobei die Festdrosseln (66) zwischen der Stellkammer (54) und den Drucktaschen (65) angeordnet sind und die Druckflüssigkeit den Drucktaschen (65) aus der Stellkammer (54) zufließt.
Hydrostatische Verdrängermaschine nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei die Festdrosseln (66) Bohrungen mit einem Durchmesser zwischen 0,05 mm und 0,5 mm sind.
Hydrostatische Verdrängermaschine nach einem vorhergehenden Patentanspruch, wobei alle Drucktaschen (65) dieselbe Form und Größe und alle Festdrosseln (66) denselben Durchmesser haben.
Hydrostatische Verdrängermaschine nach einem vorhergehenden Patentanspruch, wobei in einer Lagerfläche (64) in axialer Richtung hintereinander mehrere Ringe von Drucktaschen (65) vorhanden sind.
Hydrostatische Verdrängermaschine nach einem vorhergehenden Patentanspruch, wobei sich Drucktaschen (65) zumindest in dem Bereich einer Lagerfläche (64) befinden, der in jeder Position des Stellkolbens (50, 70) von der anderen Lagerfläche (67) überdeckt ist.
Hydrostatische Verdrängermaschine nach einem vorhergehenden Patentanspruch, wobei die Drucktaschen (65) rechteckig sind.
Hydrostatische Verdrängermaschine nach einem vorhergehenden Patentanspruch, wobei die Erstreckung der Drucktaschen (65) in Umfangsrichtung größer ist als in axialer Richtung.
Hydrostatische Verdrängermaschine nach den Patentansprüchen 7 und 8, wobei die Drucktaschen (65) in Umfangsrichtung etwa 10-mal so groß wie in axialer Richtung sind.
Hydrostatische Verdrängermaschine nach einem vorhergehenden Patentanspruch, wobei sich die Drucktaschen (65) in der Lagerfläche (64) des Stellkolbens (50) befinden.
Hydrostatische Verdrängermaschine nach einem vorhergehenden Patentanspruch, wobei der Stellkolben (50) becherförmig mit einem Innenraum gestaltet und mit seiner Außenfläche (64) in dem Zylinder (51) gelagert und geführt ist, wobei sich die Drucktaschen (65) in der Außenfläche (64) des Stellkolbens (50) befinden und wobei die Festdrosseln (66) durch Bohrungen gebildet sind, die vom Innenraum durch die Wand des Stellkolbens (50) in die Drucktaschen (65) führen.
Hydrostatische Verdrängermaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 11, wobei sich die Drucktaschen in der nach innen gerichteten Lagerfläche der beiden Lagerflächen befinden.
Hydrostatische Verdrängermaschine nach einem vorhergehenden Patentanspruch, wobei Drucktaschen (65) über nahezu die gesamte axiale Länge einer Lagerfläche (64) hinweg in dieser vorhanden sind.
Hydrostatische Verdrängermaschine nach einem vorhergehenden Patentanspruch, wobei sie eine hydrostatische Axialkolbenmaschine, insbesondere eine hydrostatische Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise ist, bei der der Stellkolben (50, 70) im Wesentlichen in axialer Richtung bewegbar ist.