DE102020116656A1

DE102020116656A1 - Axialkolbenmaschine mit einem abschnittsweise kugelförmigen Dichtring

Info

Publication number: DE102020116656A1
Application number: DE102020116656.7A
Authority: DE
Inventors: Dirk Becher; Daniel Flach; Tino Kentschke
Original assignee: Moog Ges mbH; Moog GmbH
Current assignee: Moog Ges mbH; Moog GmbH
Priority date: 2020-06-24
Filing date: 2020-06-24
Publication date: 2021-12-30
Also published as: WO2021259723A1; US20230228264A1; EP4172491A1; EP4172491B1; CN115768977A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine bei der Kolben in Zylindern eine Hubbewegung ausführen und bei der die Kolben eine Dichtringaufnahme für einen Dichtring aufweisen. Zur Verbesserung von Robustheit, Verschleißbeständigkeit, Reibung und Stick-Slip-Verhalten schlägt die Erfindung vor den Dichtring kugelförmig auszubilden, wobei der Krümmungsradius des bereichsweise kugelförmig ausgebildeten Dichtrings im Wesentlichen dem halben Durchmesser der Zylinderinnenwand entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine, bei der Kolben in Zylindern eine Hubbewegung ausführen und bei der die Kolben eine Dichtringaufnahme für einen Dichtring aufweisen.
Gemeinsam ist allen Axialkolbenmaschinen, dass in einer Zylindertrommel achsparallel zu einer Zylindertrommelachse Zylinder in einem Kreis um die Zylindertrommelachse angeordnet sind. Jeder Zylinder nimmt einen Kolben mit einem Kolbenkopf auf, wobei die Kolben mit einem dem Kolbenkopf entgegengesetzten Ende um eine Plattenachse auf einer Platte befestigt sind, beziehungsweise sich auf dieser abstützen. Wenn Zylindertrommelachse und Plattenachse sich unter einem Winkel schneiden, wird bei einer Rotation von der Zylindertrommel oder/und der Platte den Kolben eine Hubbewegung aufgezwungen.
Hydraulische Verdrängermaschinen, zu denen die Axialkolbenmaschinen zählen, arbeiten nach dem Verdrängerprinzip. Sie können daher sowohl als Pumpen als auch als Motoren betrieben werden, wenn der Druckmittelstrom entsprechend gesteuert wird. Pumpen und Motoren haben in der Regel den gleichen konstruktiven Aufbau. Im Falle eines Motors wird ein Druckmittel unter Druck in etwa einer ersten Hälfte des Zylinders zugeführt und die betreffenden Kolben werden durch den Druck in den Zylindern und/oder eine mechanische Verbindung zur Platte in Richtung der Platte gedrückt. Wenn der Winkel der Zylindertrommelachse zu der Plattenachse ungleich null ist, entsteht hierdurch eine tangentiale Kraftkomponente, die je nach Bauart entweder die Zylindertrommel oder die Platte in Rotation versetzt und somit einen Abtrieb erzeugt.
Im Falle einer Pumpe wird je nach Bauart der Pumpe die Zylindertrommelachse oder die Platte in Rotation versetzt. Wenn der Winkel der Zylindertrommelachse zu der Schrägscheibenachse ungleich null ist, zwingt die fortlaufende Abstandsänderung zwischen dem Kolben und der Schrägscheibe den Kolben eine oszillierende Hubbewegung auf, in der sich Expansionsphasen mit Kompressionsphasen abwechseln. Während einer Abwärtsbewegung, der Expansionsphase, erlaubt der Kolben den jeweiligen Zylinder sich mit Druckmittel zu füllen, welches in einer darauffolgenden Aufwärtsbewegung des Kolbens, der Kompressionsphase, vom Kolbenboden ausgeschoben wird und so einen Volumenstrom des Druckmittels erzeugt.
Aus dem Tagungsbeitrag „A NOVEL AXIAL PISTON PUMP/MOTOR PRINCIPLE WITH FLOATING PISTONS DESIGN AND TESTING“, Liselott Ericson und Jonas Forsell, Proceedings oft he 2018 Bath/ASME Symposium on Fluid Power and Motion Control, September 12-14, 2018, Bath, United Kingdom ist ein Prototyp einer Axialkolbenmaschine mit einer Kolbenplatte, die auf einer Schrägscheibe gelagert ist, und mit schwimmenden Kolben (floating pistons) bekannt. Die Abdichtung zwischen Kolbenraum und dem mit Niederdruck beaufschlagten Gehäuseinnenraum der hydrostatischen Maschine erfolgt hierbei durch einen Dichtring, der zwischen Kolben und Zylinder geführt ist. Dieser Dichtring besteht aus einem relativ weichen, verformbaren Material. Der Tagungsbeitrag offenbart einen Materialmix aus Polytetrafluorethylen, PTFE, und Bronze. Dieser Dichtring hat eine ballig ausgeführte Dichtfläche und sein Außendurchmesser ist etwas größer als der Innendurchmesser des Zylinders gewählt, um eine dichtende Wirkung auch unter Verformung zu erzielen. Der Wölbungsdurchmesser der ballig ausgeführten Dichtfläche ist deutlich kleiner als der Kolbendurchmesser. Auf Grund der schräg gelagerten Kolbenplatte wird der Dichtring entlang der Zylinderinnenwand mit der Geschwindigkeit des Kolbens und zusätzlich in einer kreisförmigen Bahn relativ zur Kolbenbohrungsachse bewegt. Durch die Schrägstellung des Dichtringes in der zylindrischen Kolbenbohrung entstünde ein Spalt. Um diesem Spalt entgegenzuwirken, ist der Durchmesser des Dichtrings um ca. 1% größer gewählt als der Durchmesser des Zylinders. Bei dem im Tagungsbericht vorgestellten Kolben wird der Dichtring auf der der Zylindertrommel abgewandten Seite durch einen Stützring abgestützt, wobei der Stützring einen kleineren Außendurchmesser als der Dichtring aufweist und aus Polyetheretherketon, PEEK, einem härterem Material als der Dichtring besteht.
In Versuchen hat sich jedoch gezeigt, dass im Betrieb, insbesondere bei hohen Drücken, bei einem großen Winkel zwischen Zylindertrommelachse und Kolbenplattenachse, sowie bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten der Dichtring dazu neigt, in Richtung des druckfreien Gehäuseinnenraumes, das heißt in den Spalt zwischen Kolben und Kolbenbohrung zu extrudieren. Durch die Schrägstellung der Kolbenachse gegenüber der Kolbenbohrungsachse ergibt sich kinematisch ein Achsversatz von Kolben und Dichtring. Durch diesen Achsversatz wird die Gefahr der Extrusion des Dichtringes auf der Seite, die den Kolben weiter überragt, vergrößert.
Beispielsweise wird bei einem Schwenkwinkel von 8° der Dichtring während eines vollständigen Umlaufs zweimal um circa 1% seines Durchmessers gedehnt und gestaucht, was auf lange Sicht zu einer Materialermüdung führt. Dies kann langfristig einen Dichtungsausfall zur Folge haben. Es hat sich aber auch gezeigt, dass insbesondere bei niedrigen Drehzahlen durch die Vorspannung des Dichtrings ein vergrößertes Losbrechmoment und Stick-Slip-Effekte zu ungleichmäßigem Lauf der Maschine führen. Besonders negativ an diesen Effekten ist ihr Einfluss in drehzahlgeregelten Anwendungen, bei denen durch Aufprägung einer bestimmten Drehzahl (auch von sehr geringen Drehzahlen) ein stabiler Systemdruck nicht erzielt werden kann. Die Regelbarkeit wird durch diese Effekte also erheblich erschwert.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Axialkolbenmaschine der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass ein reibungsarmer, pulsationsarmer, zuverlässiger Betrieb an der Dichtstelle zur Kolbenbohrung im kompletten Betriebsbereich der Maschine sichergestellt wird.
Diese Aufgabe wird bei einer Axialkolbenmaschine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Dichtring zumindest in einem Bereich, welcher während der Hubbewegungen an Innenwänden des Zylinders eine Abdichtung bewirkt, kugelförmig, das heißt wenigstens in diesem Bereich mit einem konstanten Krümmungsradius ausgebildet ist, wobei der Krümmungsradius des bereichsweise kugelförmig ausgebildeten Dichtrings im Wesentlichen dem halben Durchmesser des Zylinders entspricht. In der Praxis ist hierbei der Durchmesser des Dichtrings geringfügig kleiner gewählt als der Durchmesser des Zylinders, um ausreichend Spiel zwischen Zylinderinnenwand und Dichtring zuzulassen. Dieses Spiel bewegt sich beispielsweise um 10 µm.
Durch die bereichsweise kugelförmige Ausbildung des Dichtrings, bei dem der Krümmungsradius des bereichsweise kugelförmig ausgebildeten Dichtrings im Wesentlichen dem halben Durchmesser des Zylinders entspricht, ergibt sich ein Abdichtungsbereich, welcher ringförmig ist, also eine geschlossene Kreislinie bildet. Eine geschlossene Kreislinie verursacht weit geringere Reibungskräfte als eine Abdichtung, die durch ungünstige Abmessung und / oder Geometrie einer flächenartigen Abdichtung entspricht. Bei einer Drehung, bzw. Kippbewegung des kugelförmigen Dichtrings, verändert sich zwar die Position der kreisförmigen Dichtlinie auf der Oberfläche des zumindest abschnittsweise kugelförmigen Dichtrings, da aber der Durchmesser der Dichtkreislinie durch die Kugelform konstant ist und auch der Innendurchmesser des Zylinders konstant ist, ergibt sich unabhängig von der Position des Kolbens im Zylinder und unabhängig von dem Kippwinkel des Kolbens, immer genau das gleiche Spiel zwischen Zylinderinnenwand und des abschnittsweise kugelförmigen Dichtungselements, solange die Dichtungsaufnahme eine Ausgleichsbewegung des Dichtringes quer zur Kolbenachse erlaubt. Diese Ausgleichsbewegung ist notwendig, weil im Laufe einer Rotation der Zylindertrommel der Abstand zwischen Dichtring und Zylindertrommelachse auf Grund der Schrägstellung von Kolbenachse zu Zylindertrommelachse zyklisch variiert.
Durch eine Lagerung des Dichtringes, die eine seitliche Bewegung des Dichtringes quer zur Längsachse des Kolbens zulässt, kann der Dichtring radialen und tangentialen Kräften, die von der Relativbewegung zwischen Zylinderinnenwand und Dichtring entstehen, quer zur Kolbenachse ausweichen. Das war zwar schon im Stand der Technik möglich, aber wegen des wesentlichen kleineren Krümmungsradius des elastischen Dichtrings im Verhältnis zu dem Zylinderinnendurchmesser würde die Dichtlinie des Dichtrings, falls Zylinderinnendurchmesser und Durchmesser des Dichtrings ungefähr gleich gewählt sind, nur zweimal während einer Umdrehung idealerweise mit dem Zylinderinnendurchmesser korrespondieren. Zwischen diesen beiden idealen Stellungen, wäre der Dichtkreis wesentlich kleiner als der Zylinderinnendurchmesser und würde daher zu Leckagen führen. Deswegen wurde im Stand der Technik der Durchmesser des Dichtrings etwas größer als der Zylinderinnendurchmessers gewählt. Durch den überdimensionierten elastischen Dichtring werden diese Kraftunterschiede teilweise durch reversible Verformung des elastischen Dichtring aufgenommen, was aber in dem Zylinder an einigen Stellen zu flächenförmigen Dichtflächen und gleichzeitig an anderen Stellen zu einem Spalt zwischen Dichtring und Zylinderinnenwand führt. Mit einem Durchmesser des Dichtrings, der größer ist als der Zylinderinnendurchmesser, ist jedoch ein Verklemmen des Dichtrings, wenn ein Dichtring aus einem starren Material gewählt wird, unausweichlich.
Mit der erfindungsmäßen Ausgestaltung ergibt sich nunmehr während einer Rotation der Zylindertrommel in jeder Position eine einer Kreislinie angenäherte Dichtfläche zwischen Zylinderinnenwand und Dichtring, wobei das Spiel zwischen Dichtring und Zylinderwand während der Hubbewegung konstant gehalten wird. Hierdurch wird es ermöglicht, für den Dichtring ein nicht verformbares Material zu wählen, so dass ein Extrudieren des Dichtrings auch unter hohen Drücken und / oder hohen Rotationsgeschwindigkeiten der Zylindertrommel vermieden wird. Gleichzeitig oder alternativ kann das Material des Dichtrings aus einem insbesondere gegen Verschleiß widerstandsfähigen Material gewählt werden. Hierdurch ergibt sich eine längere Lebensdauer des Dichtrings, so dass der Dichtring während der Lebensdauer der Kolbenmaschine weniger, oder überhaupt nicht mehr getauscht werden muss.
Da bei einer Kugel der Durchmesser eines Großkreises unabhängig davon ist, in welche Richtung die Kugel gedreht wird, kann das Kolbenelement sich bei der Hubbewegung und gleichzeitiger Ausgleichsbewegung auch nicht im Zylinder verklemmen, weil der Durchmesser von der jeweils dichtenden Kreislinie im Vergleich zum Durchmesser des Zylinders unverändert bleibt. Die Verluste der Axialkolbenmaschine und der Verschleiß werden somit reduziert.
In einer Ausführungsform besteht der Dichtring aus Keramik. Es eignen sich hierfür sowohl Oxidkeramik, wie beispielsweise Aluminiumoxid Al2O3 oder Zirkondioxid ZrO2 oder alternativ Nichtoxidkeramik, wie beispielsweise Siliziumkarbid SiC oder Siliziumnitrid Si3N4.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Dichtringaufnahme einen Zapfen und der Dichtring weist eine zu dem Zapfen korrespondierende zentrale Innenöffnung auf, wobei der Innenöffnungsdurchmesser des Dichtrings größer gewählt ist als der Zapfendurchmesser. Die Differenz zwischen Zapfendurchmesser und Innendurchmesser des Dichtrings kann hierdurch entsprechend dem benötigten horizontalen Spiel, also dem Spiel quer zur Kolbenlängsachse gewählt werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Axialkolbenmaschine ist der Kolben derart ausgestaltet ist, dass ein Druckausgleich zwischen Kolbeninnenraum und dem Inneren des Dichtrings ermöglicht wird. Ein solcher Druckausgleich kann beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass der Dichtring mit vertikalem Spiel, also Spiel in Richtung zur Kolbenlängsachse in der Dichtungsaufnahme befestigt ist, so dass sich über den Spalt des Spieles der Druck innerhalb der Dichtringaufnahme an den Druck im Kolbenraum dynamisch anpassen kann. In alternativen Ausführungsformen wird der Druckausgleich zwischen Kolbeninnenraum und dem Inneren des Dichtrings wahlweise durch ein oder mehrere Durchbrüche im Deckel hergestellt. In einer anderen Ausführungsform sind alternativ oder zusätzlich Druckausgleichsbohrungen, die sich von der Oberseite des Zapfens in das Innere des Dichtrings erstrecken, vorgesehen. Dies ermöglicht, ungleiche Geometrien der Mantelfläche des Dichtrings und der Innenfläche des Dichtringes für eine gezielte Verformung des Dichtrings zu nutzen, um die Dichtwirkung des Dichtrings zu erhöhen.
Bei ungleicher Geometrie der Mantelfläche des Dichtrings zu der Geometrie der Innenfläche des Dichtringes sind die Normalkräfte die von dem Druckmittel im Kolbenraum auf den Dichtring wirken unterschiedlich zu den Normalkräften in der Dichtringaufnahme, welche auf die Innenseite des Dichtrings wirken. Insbesondere bei sehr hohen Drücken des Druckmittels kann dies zu Verformungen des Dichtrings führen. Diese zunächst als unerwünscht empfundene Verformung wird in einer weiteren Ausführungsform, bei dem die zentrale Innenöffnung des Dichtrings eine umlaufende wulstartige Ausnehmung aufweist, sogar noch verstärkt.
Diese wulstartige Ausnehmung erlaubt dem Dichtring sich bei hohen Innendrücken im Kolbenraum zusätzlich auszudehnen. Es hat sich gezeigt, dass selbst bei massiv gefertigten Zylindertrommeln, wenn ein Kolbenraum der Zylindertrommel mit der Hochdruckseite verbunden ist, diese innere Druckkraft zu einer Aufweitung bzw. einer Verformung des entsprechenden Zylinders führen kann. Eine solche einseitige Aufweitung würde zu einer Vergrößerung des Spaltes zwischen Zylinderinnenwand und Dichtring führen. Daher ist es sinnvoll, den Dichtring von seiner Geometrie so zu gestalten, dass er sich ebenfalls aufweiten kann und somit der Spalt zwischen Kolbenbohrung und Dichtring nahezu konstant bleibt. Da der Arbeitsdruck im Kolbenraum in gleicher Höhe auf die innere Geometrie des Dichtungsringes wirkt, wird der Dichtring sich also entsprechend mit aufweiten. Die Form beziehungsweise Wandstärke der Innenkontur des Dichtringes kann nun so gestaltet werden, dass sich der Dichtring exakt soweit aufweitet, wie auch der Innendurchmesser der Kolbenbohrung der Zylindertrommel. Dadurch bleibt der Spalt konstant. In erster Näherung kann dies durch die wulstartige Ausnehmung des Dichtrings erreicht werden. Bei sehr hohem Drücken, von beispielsweise 350 bar und darüber kann die Querschnittsform des Dichtrings über eine geometrieoptimierte Auslegung der Ringgeometrie über entsprechende Verformungsanalysen mit der Finiten Element Methode exakt bestimmt werden.
In einer alternativen Ausführungsform weist die zentrale Innenöffnung des Dichtrings einen stufenförmigen Verlauf auf. Eine erste Stufe weist einen ersten Innendurchmesser auf und eine zweite Stufe einen zweiten Innendurchmesser, wobei der zweite Innendurchmesser größer gewählt ist als der erste Innendurchmesser. Der erste Innendurchmesser entspricht hierbei dem Innendurchmesser eines nicht gestuften Dichtrings. Der erste Innendurchmesser kann daher auf den Zapfendurchmesser der Dichtringaufnahme angepasst sein, so dass der erste Innendurchmesser auf die Übertragung von Drehmomenten zwischen Zylindertrommel und Kolben / Kolbenplatte über die Kontaktfläche von Dichtring und Zapfen optimiert werden kann. Der zweite Innendurchmesser hingegen, da er an der Drehmomentübertragung nicht beteiligt ist, kann dann auf eine optimale Ausdehnung optimiert werden, um sich bei steigenden, hohen Betriebsdrücken der aufweitenden Kolbenbohrung anzupassen.
In einer Ausführungsform besteht der Dichtring aus Metall, beispielsweise Eisen, einer Stahllegierung, oder einer sonstigen Metalllegierung. Es eignen sich hierfür insbesondere gehärteter Stahl mit Oberflächenhärten größer 48 Härteprüfung nach Rockwell, HRC, insbesondere Vergütungsstahl beispielsweise 100Cr6 mit einer Oberflächenhärte von ca. 62 HRC, insbesondere Einsatzstahl, beispielsweise 16MnCr5 mit einer Oberflächenhärte von ca. 60 HRC. Im Gegensatz zu vielen Keramiken haben Dichtringe aus Metall den Vorteil, dass sie sich bei entsprechender dünner Wandung durch den Kolbeninnendruck aufdehnen und somit zu einer besseren Abdichtung zwischen Dichtring und Kolbenrauminnenwand beitragen. Allerdings kann dieser Effekt auch mit Keramiken erreicht werden, die ein ähnliches Elastizitätsmodul wie Stahl aufweisen. Zum Beispiel bei Keramiken aus Zirkonoxid ZrO₂ dehnen sich Ringe aus Zirkonoxid ZrO₂ und Stahl überwiegend gleich aus.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Oberflächeneigenschaften eines aus Metallen gefertigten Dichtrings in Bezug auf Oberflächenhärte, Reibbeiwerte und Verschleißbeständigkeit durch nachgelagerte Prozesse wie beispielsweise Nitrieren, Nitrocarburieren oder Hartstoffbeschichtung verbessert.
Ein Dichtring, erhalten aus einer Kugelscheibe, muss in axialer Richtung nicht zwingend symmetrisch ausgeführt sein. Durch eine Geometrie mit einer unsymmetrischen Kugelscheibe kann das druckabhängige Spiel zwischen Kugelring und Zylinderwand klein gehalten werden, um so eine möglichst geringe Leckage zu erzielen. Der Kugelring wird durch diese Gestaltung und den anliegenden Pumpendruck gezielt aufgedehnt.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Dichtring in der Dichtringaufnahme mit einem Deckel gegen eine Bewegung entlang zur Längsachse des Kolbens gesichert. Der Deckel bildet den Kolbenboden und begrenzt gleichzeitig bei einer Abwärtsbewegung des Kolbens, das heißt in der Expansionsphase, abgesehen von einem planmäßig vorgesehenen vertikalen Spiel, eine Auswanderung des Dichtrings in Richtung des Deckels.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Deckel mit einer Schraube, oder durch Klemmen oder durch Pressung an dem Kolben angebracht. Dies sind Befestigungsmethoden, die eine Abnahme des Deckels im Reparaturfall ermöglichen und so das Austauschen des Dichtrings im Verschleißfall vereinfachen.
Mathematisch gesehen ist die Oberfläche des abschnittsweisen kugelförmigen Dichtrings, die mit den Innenwänden des Zylinders in Kontakt tritt, eine symmetrische Kugelzone. Eine Kugelzone ist die gekrümmte Außenseite beispielsweise einer Kugelscheibe oder eines Kugelrings. Eine Kugelscheibe, oder auch Kugelschicht genannt, erhält man als den Mittelteil einer Vollkugel, wenn die Vollkugel von zwei parallelen Ebenen in drei Teile geschnitten wird. Wenn die parallelen Ebenen hierbei auf unterschiedlichen Seiten des Kugelmittelpunktes liegen und zugleich gleichen Abstand zum Kugelmittelpunkt haben, dann handelt es sich um eine symmetrische Kugelscheibe, deren Außenfläche eben eine symmetrische Kugelzone ergibt. Wenn die zwei parallelen Schnittebenen unterschiedlichen Abstand zum Kugelmittelpunkt haben kann auf diese Weise auch sehr einfach auch eine unsymmetrische Kugelscheibe gefertigt werden. Da der technische Aufwand, eine ausreichend perfekte Kugelform zu fertigen, relativ gering ist, lässt sich ein derartiger Dichtring mit relativ geringen Aufwand aus Vollkugeln mit entsprechendem Durchmesser fertigen, indem beiderseits eines gewählten Kugelgroßkreises Kugelsegmente entfernt werden, beispielsweise durch Fräsen, wodurch die gewünschte symmetrische oder asymmetrische Kugelscheibe entsteht. Solche Vollkugeln werden beispielsweise mit entsprechender Fertigungsgenauigkeit für Kugelgelenke und Schwenklager als Standardbauteile angeboten und sind somit allgemein und kostengünstig erhältlich.
In eine solche Art erhaltene Kugelscheibe kann dann mit einer Bohrung eine zentrale Mittelöffnung mit dem gewünschten Durchmesser geschaffen werden, die die Aufnahme des Dichtrings in einem Zapfen ermöglicht. Wie in den alternativen Ausführungsformen vorgesehen kann die Innenseite der Dichtscheibe ausgefräst werden um beispielsweise die Wandstärke des Dichtrings an einen gewünschten Verlauf anzupassen.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Kolben mit einem Ende auf der Kolbenplatte befestigt. Dadurch, dass Änderungen in der Position des Kolbens im Zylinder durch das Spiel des Dichtrings und die abschnittswiese kugelförmige Form des Dichtrings vollkommen ausgeglichen werden, benötigt der Kolben an dem Kolbenboden abgewandten Ende des Kolbens keine Gelenke oder Gleitschuhe. Er kann vielmehr fest mit der Kolbenplatte verbunden werden.
In einer weiteren Ausführungsform verjüngt sich der Kolbendurchmesser im Bereich zwischen der Dichtringaufnahme und dem einen Ende zunehmend. Damit wird eine Kippbewegung des Kolbens innerhalb des Zylinders ermöglicht, die im Betrieb eine Berührung des Kolbens mit den Zylinderinnenwänden ausschließt.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Kolben im Bereich zwischen der Dichtringaufnahme und dem einen Ende die Form eines Kegelstumpfes auf.
In einer weiteren Ausführungsform sind Kolbenbohrungsachsen der Zylinder auf einer ersten Kreislinie, Kolbenbohrungsteilkreis, um eine Zylindertrommelachse verteilt, und die Kolbenlängsachsen auf einer zweiten Kreislinie, Kolbenteilkreis, um eine Kolbenplattenachse verteilt, wobei der Durchmesser (D_K) der zweiten Kreislinie größer gewählt ist als der Durchmesser (D_z) der ersten Kreislinie. Die Größenunterschiede zwischen erster Kreislinie und zweiter Kreislinie lassen sich durch die erfinderische Gestaltung von Dichtring und Zapfen ausgleichen und so eine kompaktere Bauart der Axialkolbenmaschine erzielen.
In einer weiteren Ausführungsform wird diese Ausgestaltung des Kolbens in einer sogenannten Floating Piston Maschine verwendet.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Axialkolbenmaschine als eine Schrägscheibenmaschine ausgebildet.
Die Erfindung wird nun anhand von in den Zeichnungen abgebildeten Ausführungsbeispielen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

1 eine Schemazeichnung einer Axialkolbenmaschine mit den erfindungsgemäß ausgestalteten Kolben in einer neutralen Position
2 eine Schemazeichnung einer Axialkolbenmaschine mit den erfindungsgemäß ausgestalteten Kolben in einer geschwenkten Position
3 kegelstumpfförmiger Aufbau eines Kolbens
4 zylinderförmiger Aufbau eines Kolbens
5 einen kegelstumpfförmigen Kolben mit montiertem Dichtring
6 Ausführungsbeispiel eines symmetrischen Dichtringes
7 Ausführungsbeispiel eines asymmetrischen Dichtringes
8 Ausführungsbeispiel eines symmetrischen Dichtringes mit innenseitigem Wulst
9 Ausführungsbeispiel eines Dichtringes mit stufenförmiger Innenseite
10 Ausführungsbeispiel eines Dichtrings mit kontinuierlicher Aufweitung seines Innendurchmessers in seinem oberen Bereich
11 einen Kolben mit einem Dichtring mit wulstartiger Innenausnehmung und Druckausgleichsbohrung
12 einen Kolben mit einem Dichtring mit gestuftem Innenprofil und Druckausgleichsbohrung

1 und 2 zeigen den schematischen Aufbau einer sogenannten Floating Piston Maschine stellvertretend für Aufbau und Funktion von Axialkolbenmaschinen. 1 und 2 zeigen die gleiche Floating Piston Maschine in unterschiedlichen Arbeitszuständen. Aufbau und Funktion einer Floating Piston Maschine sind dem Fachmann hinreichend bekannt, so dass in 1 und 2 nur das Zusammenwirken eines Kolbens 2 mit einer Zylindertrommel 7, einer Kolbenplatte 8 und einer Schrägscheibe 9 beschrieben wird. Die Kolbenplatte 8 stützt sich auf der Schrägscheibe 9 ab und ist auf dieser drehbar gelagert. 1 zeigt die Floating Piston Maschine 1 in einem neutralen Zustand, bei dem Schwenkscheibe 9 und Zylindertrommel 7 parallel zueinander ausgerichtet sind, während 2 die Floating Piston Maschine 1 in einem Zustand zeigt bei dem die Schrägscheibe 9 und die Zylindertrommel nicht parallel zueinander ausgerichtet sind.
Bei dem Ausführungsbeispiel ist eine Mehrzahl von Zylindern 3 kreisförmig und gleichmäßig um eine Zylindertrommelachse 70 einer Zylindertrommel 7 verteilt. In dem Ausführungsbeispiel sind die Zylinder 3 als Kolbenbohrungen 3 ausgeführt und werden von nun an als solche bezeichnet. Dem Fachmann ist jedoch klar, dass ein Zylinder 3 auch anderweitig als durch eine Kolbenbohrung gefertigt sein kann. Um harmonische Schwingungen zu vermeiden wird üblicherweise eine ungerade Anzahl von Kolbenbohrungen 3 gewählt. An der Oberseite 71 der Zylindertrommel 7 weist jede Kolbenbohrung 3 eine Verbindungsbohrung 33 auf, über welche von der sogenannten Hochdruckseite der Floating Piston Maschine 1 den Kolbenbohrungen 3 ein Druckmittel zugeführt beziehungsweise abgeführt werden kann.
Die Zylindertrommel 7 ist so gelagert, dass eine Drehung um die Zylindertrommelachse 70 erlaubt wird. Zur Übertragung von Drehmomenten ist an der Zylindertrommel 7 eine Welle 72 angeordnet, welche im Falle der Betriebsart der Floating Piston Maschine als Pumpe eine Antriebswelle und im Falle der Betriebsart der Floating Piston Maschine als Kraftmaschine eine Abtriebswelle zur Verfügung stellt. Der Abstand R von einer Kolbenbohrungsachse 30 zu der Zylindertrommelachse 70 beträgt in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel 45 mm, während die Kolbenbohrungen 3 jeweils einen Innendurchmesser D von 15 mm aufweisen. Um die Erfindung besser zu veranschaulichen sind die Figuren nicht maßstabsgetreu ausgeführt und geben Einzelheiten teilweise stark vergrößert wieder.
Die Kolben 2 sind rotationsymmetrisch ausgeführt. Die Symmetrieachse der Kolben 2 wird im Folgenden auch als Längsachse 20 des Kolben 2 bezeichnet. 3 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Kolbens 2 mit einem Kolbenkopf 21 an seinem oberen Ende und einem Kolbenfuß 22 an seinem unteren Ende. Die Richtungsangabe „nach oben“ bezeichnet im Zusammenhang mit einem Kolben 2 eine Bewegung des Kolbens 2 innerhalb des Kolbenraums 31 in Richtung des Kolbenkopfes 21, während die Richtungsangabe „nach unten“ eine Bewegung des Kolbens 2 innerhalb des Kolbenraumes 31 in Richtung des Kolbenfußes 22 bezeichnet. Der Kolbenkopf 21 weist typischerweise einen größeren Durchmesser auf als der Kolbenfuß 22. Der Kolben 2 kann daher entsprechend der 2 in seinem Mittelbereich 24 die Form eines Kegelstumpfes aufweisen. Wichtig ist, dass der Durchmesser des Kolbenkopfes 21 so gewählt ist, dass der Kolbenkopf 21 zu keinem Zeitpunkt des Betriebes der Kolbenmaschine mit einer Innenwand 32 der Kolbenbohrung 3 in Berührung kommt. Insofern dafür Rechnung getragen wird, kann der Kolben 2 in seinem Mittelbereich 24 auch in Form eines Zylinders ausgeführt sein, wie dies in 4 dargestellt ist.
Die Kolbenplatte 8 ist als Kreisscheibe ausgeführt durch deren Kreisscheibenmittelpunkt sich eine Kolbenplattenachse 80 senkrecht zur Kolbenplatte 8 erstreckt. Die Kolbenplatte 8 ist drehbar gelagert, so dass sich die Kolbenplatte 8 um die Kolbenplattenachse 80 drehen kann. Die Schrägscheibe 9 ist ebenfalls als Kreisscheibe ausgeführt und durch deren Kreisscheibenmittelpunkt erstreckt sich senkrecht zur Schrägschreibe 9 eine Schrägscheibenachse 90. In dem neutralen Zustand der Floating Piston Maschine 1 sind die Kolbenplattenachse 80 und die Schrägscheibenachse 90 in einer Linie mit der Zylindertrommelachse 70.
Im Folgenden wird eine Ebene, die sich senkrecht um die Zylindertrommelachse 70 erstreckt als Zylindertrommelebene 75 und eine Ebene die sich senkrecht zur Kolbenplattenachse erstreckt als Kolbenplattenebene 85 bezeichnet. Im neutralen Zustand sind Zylindertrommelebene 75 und Kolbenplattenebene 85 parallel zueinander ausgerichtet. Bei Rotation der Zylindertrommel 7 bleibt in der neutralen Lage der Abstand zwischen Unterseite 72 der Zylindertrommel 7 und Oberseite 81 der Kolbenplatte 8 konstant. Wegen des konstanten Abstands führen die Kolben 2 keine Hubbewegung aus. Dieser Abstand zwischen Unterseite 72 der Zylindertrommel und Oberseite 81 der Kolbenplatte 8 wird im Folgenden daher als neutraler Abstand S0 bezeichnet.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Kolbenplatte 8 gegenüber der Zylindertrommelebene 85 schwenkbar ausgebildet. Bei einer Schwenkung der Schrägscheibe 9 ist darauf zu achten, dass sich die Zylindertrommelachse 70 und die Schrägscheibenachse 90 in einem Schwenkpunkt X unter einem Winkel α schneiden. Da die Kolbenplatte 8 auf der Schrägscheibe 9 gleitet und somit Kolbenplatte 8 und Schrägscheibe 9 dadurch stets parallel zueinander ausgerichtet bleiben ergibt sich aus einer geometrischen Gesetzmäßigkeit, dass der Winkel α unter welchem die Zylindertrommelebene 75 und die Kolbenplattenebene 85 sich schneiden dem Schwenkwinkel α entspricht. Der Schwenkwinkel α entspricht auch dem Winkel unter welchen die Kolbenachsen 20 gegenüber den Zylinderbohrungsachse 30 gekippt sind. Bei einem Schwenkwinkel α = 0°, der neutralen Lage, sind die Kolbenachsen 20 parallel zu den Kolbenbohrungsachsen 30 ausgerichtet.
Bei einem Schwenkwinkel α ungleich 0° wird eine Hälfte der Kolbenplatte 8 von der Zylindertrommel 7 weggekippt, und die andere Hälfte der Kolbenplatte der Zylindertrommel 7 zugeneigt, so dass bei einer Rotation sich der Abstand zwischen der Zylindertrommelunterseite 72 und der Kolbenplattenoberseite 81 fortlaufend ändert. Hierbei durchläuft die Kolbenplatte 8 während einer Drehung ausgehend von dem mittleren Abstand nach einer viertel Vollkreisdrehung einen maximalen Abstand Smax; nach einer weiteren Viertel Vollkreisdrehung kehrt die Oberseite 81 der Kolbenplatte 8 wieder zu dem mittleren Abstand zurück; nach einer weiteren Viertel Vollkreisdrehung durchläuft die Oberseite 81 der Kolbenplatte 8 einen minimalen Abstand Smin zur Unterseite der Zylindertrommel 7 und nach einer weiteren Viertel Vollkreisdrehung kehrt die Kolbenplatte 8 an ihrem Ausganspunkt zurück. Um diese Stellungen in der 2 zu verdeutlichen sind diese Abstände und die beiden Kolben beziehungsweise Kolbenräume für eine geradzahlige Anzahl n von Kolbenbohrungen dargestellt.
Da die Kolben 2 mit ihrem Kolbenfuß 22 mit der Kolbenplatte 8 fest verbunden sind, führen die Kolben 2 zwangsweise diese Auf- und Abbewegungen bei einer Rotation von Zylindertrommel 7 und Kolbenplatte 8 aus. Bei der Aufwärtsbewegung verkleinert sich der Kolbenraum 31, der durch den Dichtring 5 zur Gehäuseinnenseite abgedichtet ist, bis der Kolben 2 einen oberen Totpunkt OT erreicht, wo er seine Hubbewegungsrichtung wechselt. Der Obere Totpunkt OT des Kolbens 2 ist identisch mit der Position, bei der die Kolbenplatte 8 den minimalen Abstand S_min erreicht hat. In der darauffolgenden Abwärtsbewegung vergrößert sich der Kolbenraum bis der Kolben 2 einen unteren Totpunkt UT erreicht, wo die Hubbewegung nach unten wieder in eine Hubbewegung nach oben wechselt. Der Untere Totpunkt UT ist identisch zur Position, bei der die Oberseite 81 der Kolbenplatte 8 einen maximalen Abstand Smax zur Unterseite 72 der Zylindertrommel 7 erreicht hat.
Der Kolbenfuß 22 ist vorteilhafterweise als Zylinder ausgeformt, weil hierdurch der Kolbenfuß 22 von einem Durchgangsloch in der Kolbenplatte 8 aufgenommen werden kann. Da sich im Anschluss an den Kolbenfuß 22 der Kolben entweder als Kegelstumpf verbreitert, oder eben eine Stufe zu dem größeren zylindrischen Mittelteil 24 bildet, stützt sich der Kolben 2 auf der Kolbenplattenoberseite 81 ab, um die Kräfte die im Kolbenraum 31 auf den Kolbenkopf 21 wirken in die Kolbenplatte 8 abzuleiten.
Falls der Mittelteil 24 gegenüber dem Kolbenfuß 22 keine Verbreiterung aufweist kann diese Abstützung alternativ dadurch erreicht werden, dass die Aufnahmen für den Kolbenfuß 22 als Sacklöcher ausgeführt sind und sich der jeweilige Kolbenfuß 22 in dem jeweiligen Sackloch abstützt. Die Kolbenfüße 22 sind beispielsweise durch Verpressen in der Durchgangsbohrung beziehungsweise dem Sackloch gegen jede Art von Bewegung fixiert. Alternativ kann eine Verbindung auch anderweitig form- oder kraftschlüssig erfolgen, zum Beispiel durch Einpressen, Schrumpfen, Gewinde oder Schweißen.
5 zeigt einen Kolben 4 mit einem in einer Dichtringaufnahme 4 montierten Dichtring 5. Die Dichtringaufnahme 4 weist in diesem Fall einen am Kolbenkopf 21 zentrierten Zapfen 23 auf, welcher eine Mittenöffnung 51 des Dichtrings 5 aufnimmt. Der Innendurchmesser d_i der Mittenöffnung 51 ist hierbei deutlich größer als der Durchmesser dz des Zapfens 23 gewählt. Eine Bewegung des Dichtrings 5 in Richtung der Längsachse 20 des Kolbens 2 ist durch einen Deckel 6 begrenzt, welcher auf dem Zapfen 23 montiert wird.
6 zeigt einen Dichtring 5 in seiner einfachsten herstellungstechnischen Ausführungsform. Der Dichtring 5 der 6 ist eine Kugelscheibe bei der die Kugelscheibe nach oben und nach unten von einer Äquatorebene 58 des Dichtrings gleiche Höhen h/2 aufweist. Die Äquatorebene 58 beinhaltet den Großkreis auf der Mantelfläche 52 des Dichtrings, welcher senkrecht zur Dichtringachse 50 liegt. Bei gleichen Höhen h/2 des Dichtrings auf beiden Seiten der Äquatorebene handelt es ich somit um einen symmetrisch ausgestalteten Dichtring 5. Aus dem Krümmungsradius r ergibt sich der Durchmesser d_a des Dichtrings, welcher idealerweise etwas kleiner ist, als der Kolbendurchmesser d.
Wir betrachten zunächst den Fall, dass die Kolbenplattenebene 85 parallel zu der Zylindertrommelebene 75 ausgerichtet ist und dabei die Zylindertrommelachse 70 mit der Kolbenplattenachse 80 und der Schrägscheibenachse 90 zusammenfällt, also der neutralen Lage. Bei einer Rotation von Zylindertrommel 7 und Kolbenplatte 8 in der neutralen Lage führen die Kolben 2 keine Hubbewegung aus, weil keine Relativbewegungen in Richtung der Kolbenbohrungsachsen 30 auftreten. So wirken auf den Dichtring 5 auch keine vertikalen Kräfte, d.h. Kräfte parallel zur Zylindertrommelachse 70.
Betrachten wir nun an Hand der 2 die Verhältnisse bei einer Schrägstellung der Schrägscheibe 9 gegenüber der Zylindertrommel 7 um einen Schwenkwinkel α <> 0°. Ein starrer Kolbenkopf beschreibt bei einer Rotation der Zylindertrommel 7 innerhalb der Kolbenbohrung 3 eine elliptische Bahn wobei die Scheitelpunkte der Hauptachse dieser elliptischen Bahn am oberen Totpunkt OT und unteren Totpunkt UT durchlaufen werden. In der Situation wie sie in 2 gezeigt ist, würde der Kolben 2, wenn er den Oberen Totpunkt OT erreicht, über den Teil der Innenwand 32 der Kolbenbohrung herausragen, die von der Zylindertrommelachse 70 den kleinsten Abstand hat, also näher zur Zylindertrommelachse 70 liegt. Im Gegensatz hierzu würde der Kolben 2, wenn der Kolben 2 seinen unteren Totpunkt UT erreicht, über den Teil der Innenwand 32 der Kolbenbohrung 3 hinausragen, die von der Zylindertrommelachse 70 den größten Abstand hat. In der Darstellung der 2 würden somit beide Kolben 2 an die jeweilige rechte Zylinderwand 31 drücken. Im Falle eines starren Kolbenkopfes 21 und einer starren Zylindertrommel 7 würde dies unweigerlich zum Verklemmen des Kolbenkopfes 21 in den Kolbenbohrungen 3 führen.
Diesem Verklemmen wird bei der erfindungsgemäßen Floating Piston Maschine 1 auf zwei Arten entgegengewirkt. Zum einen ist die Kolbenplatte 8 auf der Schrägscheibe 9 verschiebbar gelagert. Die Drücke von den Kolbenräumen 31 werden über die starren Kolben 2 auf die Kolbenplatte 8 übertragen und verschieben die Kolbenplatte 8 auf der Schrägscheibe 9. Dies ist in der 2 dadurch ersichtlich, dass sich nun die Kolbenplattenachse 80 links von der Schrägscheibenachse 90 befindet. Zum anderen kann der Dichtring 5, weil er innerhalb der Dichtungsaufnahme 4 verschiebbar aufgenommen ist, quer zu der Kolbenlängsachse den auf den Dichtring 5 von den Innenwänden 32 der Kolbenbohrung 3 einwirkenden Kräften ausweichen. Der Innendurchmesser d_i des Dichtrings 5 und der Durchmesser dz des Zapfens sind idealerweise so aufeinander abgestimmt, dass das resultierende Spiel δ_Q groß genug ist, dass der Dichtring 5 im Zusammenspiel mit der Verschiebung der Kolbenplatte 8 auf der Schrägscheibe 9 der elliptischen Bahn folgen kann, ohne zu verklemmen. Wenn dieses Spiel richtig eingestellt ist, kann von der Zylindertrommel 7 über die Dichtringe 5 ein Drehmoment auf die Kolbenplatte 8 übertragen werden, so dass die Kolbenplatte von der Zylindertrommel 7 mitgenommen wird. Alternativ kann aber die Kolbenplatte 8 beispielsweise über ein Getriebe mit der Zylindertrommel 7 synchronisiert werden, wodurch größere Freiheiten hinsichtlich der inneren Dichtringgeometrie und den Zapfen 23 eröffnet werden.
Durch die abschnittsweise kugelförmige Mantelfläche 52 des Dichtrings 5 mit einem Krümmungsradius r der im Wesentlichen dem halben Kolbenbohrungsdurchmessers D/2 entspricht, berühren sich Kolbenbohrungsinnenwand 32 und Dichtring 5 in einer Kreislinie, dem Dichtkreis 59, unabhängig davon, wie stark die Kolbenlängsachse 20 gegenüber der Kolbenbohrungsachse 30 gekippt ist und damit wie tief der Kolben 2 in seiner Hubbewegung in die Kolbenbohrung 3 eintaucht. Hierdurch steht die Ebene, in der der Dichtkreis 59 liegt, stets senkrecht zur Kolbenbohrungsachse 30. Hierdurch wird der Verschleiß im Kontakt Dichtring - Kolbenbohrung reduziert und die Axialkolbenmaschine wiederum effizienter und robuster. Die Lebensdauer des metallischen Dichtrings 5 ist somit deutlich höher als ein elastisch ausgeführter Dichtring nach dem Stand der Technik.
Im Folgenden wird die Kreislinie, auf der die Kolbenbohrungsachsen 30 um die Zylindertrommelachse verteilt sind, als Kolbenbohrungsteilkreis und der Durchmesser des Kolbenbohrungsteilkreis als Kolbenbohrungsteilkreisdurchmesser Dz bezeichnet. Die Kolbenfüße 22 und insbesondere die Kolbenlängsachsen 20 der einzelnen Kolben 2 schneiden die Kolbenplatte 8 senkrecht und sind auf einer Kreislinie, die im Folgenden als Kolbenteilkreis bezeichnet wird, um die Kolbenplattenachse 80 gleichmäßig verteilt. Der Durchmesser des Kolbenteilkreises wird im Folgenden als Kolbenteilkreisdurchmesser D_K bezeichnet.
In einer Ausführungsvariante sind die Kolben 2 so auf der Kolbenplatte 8 angeordnet, dass in der neutralen Lage die Längsachsen 20 der Kolben 2 und die Längsachsen 30 einer jeweiligen Kolbenbohrung 3 zusammenfallen. Somit sind Kolbenteilkreisdurchmesser D_K und Kolbenbohrungsteilkreisdurchmesser Dz identisch. Wenn der Abstand R der Kolbenbohrungsachsen 20 zur Zylindertrommelachse 70 wie eingangs erwähnt 45mm beträgt, ergibt sich der Kolbenbohrungsteilkreisdurchmesser Dz zu Dz = 2R = 90mm und der Kolbenteilkreisdurchmesser D_K ebenfalls zu 90mm.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass der Kolbenteilkreisdurchmesser D_K insbesondere auch größer als der Kolbenbohrungsteilkreisdurchmesser Dz gewählt werden kann. In einer zweiten Ausführungsvariante ist der Kolbenteilkreisdurchmesser D_K gleich 90,4 mm gewählt. Ein Kolbenteilkreisdurchmesser D_K welcher größer ist als der Kolbenbohrungsteilkreisdurchmesser Dz hat den Vorteil, dass die Floating Piston Maschine kompakter gebaut werden kann, weil sich bei gleichem Spiel δ_Q ein größerer Schwenkwinkel α erzielen lässt. Ein gegenüber dem Kolbenbohrungsteilkreisdurchmesser Dz vergrößerter Kolbenteilkreisdurchmesser D_K wird ermöglicht durch die quer zur Kolbenachse 20 verschiebbar gelagerten Dichtringe 5 die den größeren Kolbenachsenabstand D_K durch ein Verschieben der Dichtringe 5 in der Dichtringaufnahme 4 ausgleichen.
In einer weiteren in 8 gezeigten Ausführungsform ist die Innenwand des Dichtrings 5 mit einem Innenwulst 54 versehen, so dass der Dichtring 5 über seine Höhe h in vertikaler Richtung beispielsweise eine gleichbleibende Materialstärke aufweist. Der Hintergrund einer von der reinen Ringform abweichenden Geometrie des Dichtringes ist die folgende:

Wenn ein Kolbenraum 31 der Zylindertrommel 7 über die Verbindungsbohrungen 33 mit der Hochdruckseite verbunden ist, wirkt dieser Hochdruck (bis zu 350 bar oder mehr) auf die Innenwand 32 der Bohrung der Zylindertrommel 7, die den Kolbenraum 31 bildet. Es hat sich gezeigt, dass diese innere Druckkraft, trotz der massiven Ausführung der Zylindertrommel 7, zu einer Aufweitung bzw. einer Verformung der entsprechenden Kolbenbohrung 3 führen kann. Eine solche einseitige Aufweitung würde zu einer Vergrößerung des Spaltes 34 zwischen Kolbenbohrung 3 und Dichtring 5 führen. Um diesen Nachteil auszugleichen schlägt die Erfindung vor, den Dichtring 5 von seiner Geometrie so zu gestalten, dass wenn die Innenseite des Dichtrings 5 mit radialen Druckkräften beaufschlagt ist, der Dichtring sich entsprechend aufweiten kann und somit der Spalt 34 zwischen Kolbenbohrung 3 und Dichtring 5 über die gesamte Bandbreite des Betriebsdrucks idealerweise konstant bleibt. Durch das Spiel δ_Q sowie δ_H findet der Druck seinen Weg in den Bereich hinter den Dichtring bzw. in den Raum zwischen Zapfen 23 und Innendurchmesser Dichtring 5. Da der Arbeitsdruck im Kolbenraum 31 in gleicher Höhe auf die innere Geometrie des Dichtungsringes 5 wirkt, wird der Dichtring 5 bei entsprechend angepasster Wandstärke beziehungsweise angepasstem Querschnittprofil sich entsprechend mit aufweiten.

In einer ersten Variante kann dies dadurch erreicht werden, dass der Dichtring 5 an seiner Innenseite 53 eine wulstartige Vertiefung 54 aufweist. Diese wulstartige Vertiefung 54 kann beispielsweise so ausgeführt sein, dass der Dichtring 5 über seinen vertikalen Verlauf h eine annähernd gleiche horizontale Dicke z aufweist. Durch diese gleichförmig horizontale Dicke z kann der Dichtring bewusst geschwächt werden, um so einem auf die Innenseite des Dichtrings wirkenden Druck durch Aufweitung, also Vergrößerung seines Außendurchmessers d_a nachzugeben.
In einer alternativen Ausführungsform des Dichtrings, wie sie in 7 gezeigt ist, wird eine Abnahme der Dichtringwandstärke dadurch erzielt, dass der Dichtring 5 asymmetrisch ausgeführt ist. Das heißt, die Höhe h₂ des Dichtrings von seiner Äquatorebene 58 aus gemessen nach oben ist größer als die Höhe h₁ des Dichtrings von seiner Äquatorfläche 58 nach unten gemessen. Auf diese Weise ist die geringere Wandstärke z₂ des Dichtrings 5 an seinem oberen Ende gegenüber der Wandstärke z₁ des Dichtrings an seinem unteren Ende bewusst in Kauf genommen um dem hohen Druck des Druckmittels im Kolbeninnenraum nachzugeben. Über die obere Höhe h₂ lässt sich auf diese Weise die gewünschte Aufweitung des Dichtrings einstellen.
In einer weiteren in 9 gezeigten Ausführungsform ist der Innendurchmesser des Dichtrings abgestuft. In seinem oberen Teil, also dem Teil der dem Deckel des Kolbens 2 zugewandt ist, ist der Innendurchmesser d₂ größer gewählt als der Innendurchmesser d_i in seinem unteren Teil. Hierdurch wird alternativ zu einer annähernd konstanten Dichtringquerschnittsdicke z nach der in 6 dargestellten Ausführungsform erreicht, dass der Dichtring 5 wegen der geringeren Materialdicke z₂ in seinem oberen Bereich einem höheren Betriebsdruck nachgibt, während der Dichtring 5 auf Grund der höheren Materialdicke z₁ in seinem unteren Bereich weitgehend seine Form beibehält und somit die Anpassung zwischen Dichtringinnendurchmesser d_i und Zapfendurchmesser d_z nicht verändert wird. Die gewünschte Aufweitung des Dichtrings in seinem oberen Bereich kann insbesondere durch den oberen Durchmesser d₂ und die Höhe auf welcher die Abstufung zwischen oberen und unteren Bereich angeordnet ist, eingestellt werden.
In einer alternativen Ausführungsform, welche in 10 gezeigt ist, weitet sich der Innendurchmesser des Dichtrings über seine Höhe nach oben kontinuierlich auf, wodurch die Wandstärke des Dichtrings 5 mit der Höhe noch stärker abnimmt und so noch leichter dem Druck des Dichtrings im Innenraum 57 nachgeben kann. In seinem unteren Bereich, erstreckt sich der Dichtring 5 über eine erste Höhe h₁ von der Äquatorebene nach unten, und in seinem oberen Bereich über eine zweite Höhe h₂ nach oben. Je nachdem wieviel Aufweitung benötigt wird kann die Aufweitung des Innenraums 57 des Dichtrings 5, wie gezeigt an der Äquatorebene 58 beginnen, kann aber auch erst darüber oder alternative auch unterhalb der Äquatorebene 58 beginnen. Hierfür kann sowohl ein symmetrisch ausgestalteter Dichtring 5, bei dem die erste Höhe h₁ gleich der zweiten Höhe h₂ gewählt ist, als auch wie in 10 abgebildet ein asymmetrisch ausgestalteter Dichtring 5, bei dem die erste Höhe h₁ unterschiedlich zur zweiten Höhe h₂ gewählt ist, verwendet werden. Eine geometrieoptimierte Auslegung der Ringgeometrie als Funktion z(h) über die Höhe des Dichtrings 5 kann bei Bedarf beispielsweise auch über entsprechende Verformungsanalysen mit der Finiten Element Methode ausreichend genau bestimmt werden.
Da die Aufweitung der Kolbeninnwand 32 von vielen Faktoren abhängig ist, wie beispielsweise dem verwendeten Material für die Zylindertrommel 7, dem Kolbenbohrungsdurchmesser d, den Wandstärken zwischen zwei benachbarten Kolbenbohrungen 3 um die wichtigsten zu nennen, kann hier keine allgemeine Formel angegeben werden. Bei Laborversuchen hat sich jedoch gezeigt, dass bei Betriebsdrücken von 350 bar die Aufweitung der Kolbenbohrung 3 bei der im Ausführungsbeispiel gewählten Dimensionierung zwischen 10 µm und 30 µm liegen kann, in speziellen Einzelfällen auch darüber oder darunter. Eine Methode die Querschnittsdicke z des Dichtrings zu bestimmen, besteht daher darin, zunächst in einem ersten Schritt die Verformung der Kolbenbohrung 3 bei dem höchsten vorgesehenen Betriebsdruck zu bestimmen. In einer Versuchsreihe werden Dichtringe 5 mit unterschiedlichen Querschnittsdicken z dem höchsten vorgesehenen Betriebsdruck ausgesetzt und die dadurch ausgelöste Durchmesserzunahme Δd des Dichtrings 5 bestimmt. Es wird dann die Dichtringgeometrie ausgewählt, das heißt in diesem Fall der Dichtring 5 mit der Querschnittsdicke z bei dem die Differenz Δd zwischen gemessenen Kolbeninnenwanddurchmesser d+ Δd unter Belastung mit dem höchsten Betriebsdruck und Dichtringdurchmesser d_i+ Δ d_i unter Belastung mit dem höchsten Betriebsdruck dem gewählten Spiel zwischen Kolbeninnwand 32 und Dichtring 5 entspricht.
Alternativ oder zusätzlich zu einem Druckausgleich über das vertikale und das horizontale Spiel des Dichtrings 5 in der Dichtringaufnahme 4, kann ein Druckausgleich zwischen Kolbeninnenraum 31 und dem Inneren 57 des Dichtrings 5 auch durch ein oder mehrere Durchbrüche im Deckel 6 erzielt werden. 11 zeigt eine Ausführungsform eines Kolben 2 mit einem Dichtring 5 mit wulstartiger Ausnehmung an der Innenwand 54 des Dichtrings 5. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Druckausgleich zwischen Kolbeninnenraum 31 und dem Inneren 57 des Dichtrings 5 durch ein oder mehrere Druckausgleichsbohrungen 9, die sich von der Oberseite des Deckels 6 durch den Zapfens 23 nach unten und dann in radialer Richtung des Zapfens 23 erstrecken, vorgesehen. Ein solcher Druckausgleich eignet sich sowohl für Dichtringe 5 mit kontinuierlichen Verlauf der Dichtringdicke z, als auch, wie in 12 dargestellt, für Dichtringe mit abgestuften Innenprofil. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Druckausgleich zwischen Kolbeninnenraum 31 und dem Inneren 57 des Dichtrings 5 ebenso durch ein oder mehrere Druckausgleichsbohrungen 9, die sich von der Oberseite des Deckels 6 durch den Zapfens 23 nach unten und dann in radialer Richtung des Zapfens 23 erstrecken, vorgesehen.

Claims

Axialkolbenmaschine (1) bei der Kolben (2) in Zylindern (3) eine Hubbewegung ausführen und bei der die Kolben (2) eine Dichtringaufnahme (4) für einen Dichtring (5) aufweisen, wobei die Dichtringaufnahme (4) so ausgestaltet ist, dass sie eine Bewegung des Dichtrings (5) quer zu einer Längsachse (20) des Kolbens (2) zulässt, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtring (5) zumindest in einem Bereich, welcher während der Hubbewegungen an Innenwänden (32) des Zylinders (3) eine Abdichtung bewirkt, kugelförmig ausgebildet ist, wobei der Krümmungsradius des bereichsweisen kugelförmig ausgebildeten Dichtringes (5) im Wesentlichen dem halben Durchmesser (d) des Zylinders (3) entspricht.
Axialkolbenmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtring (5) aus nicht verformbarem Material gefertigt ist.
Axialkolbenmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtring (5) aus einem starren, insbesondere gegen Verschleiß widerstandsfähigen Material besteht.
Axialkolbenmaschine (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtring (5) aus Metall, beziehungsweise einer Metalllegierung besteht.
Axialkolbenmaschine (1) nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtring (5) aus Keramik besteht, insbesondere aus Oxidkeramik oder alternativ Nichtoxidkeramik besteht.
Axialkolbenmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtringaufnahme (4) einen Zapfen (23) umfasst und der Dichtring (5) eine zum Zapfen (23) korrespondierende zentrale Innenöffnung (51) aufweist, wobei der Innendurchmesser (d_i) des Dichtrings (5) größer gewählt ist als der Zapfendurchmesser (d₂).
Axialkolbenmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Dichtrings (5), so ausgestaltet ist, dass bei einem hohen Betriebsdruck die Verformung des Dichtrings (5) durch den Betriebsdruck eine Aufweitung der Zylinderinnenwand (32) durch den Betriebsdruck weitgehend ausgleicht.
Axialkolbenmaschine (1) nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Innenöffnung (51) des Dichtrings (5) eine umlaufende wulstartige Ausnehmung (54) aufweist.
Axialkolbenmaschine (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Innenöffnung des Dichtrings (5) einen stufenförmigen Verlauf (55, 56) aufweist.
Axialkolbenmaschine (1) nach einem der Ansprüche 7-9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (2) derart ausgestaltet ist, dass ein Druckausgleich zwischen Kolbeninnenraum (31) und dem Inneren (57) des Dichtrings ermöglicht wird.
Axialkolbenmaschine (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein horizontales Spiel (δ_Q) zwischen Innendurchmesser des Dichtrings (5) und dem Zapfen (23) und ein vertikales Spiel (δ_H) des Dichtrings (5) innerhalb der Dichtringaufnahme (4) wenigstens so groß gewählt sind, dass diese den Druckausgleich zwischen Kolbeninnenraum (31) und dem Inneren (57) des Dichtrings (5) ermöglichen.
Axialkolbenmaschine (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckausgleich zwischen Kolbeninnenraum (31) und dem Inneren (57) des Dichtrings (5) wahlweise durch ein oder mehrere Durchbrüche im Deckel (6) und/oder einen oder mehreren Druckausgleichsbohrungen, die sich von der Oberseite des Zapfens (23) in das Innere des Dichtrings (5) erstrecken, ermöglicht ist.
Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenn der Dichtring (5) aus Keramik besteht, eine Keramik mit zu Stahl ähnlichen Elastizitätsmodul gewählt ist, insbesondere eine Zirkonoxidkeramik gewählt ist.
Axialkolbenmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtring (5) in der Dichtringaufnahme (4) mit einem Deckel (6) gegen eine Bewegung entlang zur Längsachse (20) des Kolbens (2) gesichert ist.
Axialkolbenmaschine (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (6) mit einer Schraube, oder durch Klemmen oder durch eine Pressung an dem Kolben (2) angebracht ist.
Axialkolbenmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (2) mit einem Ende (22) auf einer Kolbenplatte (8) befestigt ist.
Axialkolbenmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbendurchmesser im Bereich zwischen der Dichtringaufnahme (4) und dem einen Ende (22) sich zunehmend verjüngt.
Axialkolbenmaschine (1) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass dass der Kolben (2) im Bereich zwischen der Dichtringaufnahme (4) und dem einen Ende (22) die Form eines Kegelstumpfes aufweist.
Axialkolbenmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei der die Zylinder (3) auf einer Zylindertrommel (7) um eine Zylindertrommelachse (70) verteilt sind, und bei der die Kolben (20) auf einer Kolbenplatte (8) um eine Kolbenplattenachse (80) verteilt sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rotation der Zylindertrommel (7) um die Zylinderachse (70) mit einer Rotation der Kolbenplatte (8) um die Kolbenplattenachse (80) durch Synchronisationsmittel miteinander synchronisiert sind, wobei die Synchronisation nicht durch eine Drehmomentübertragung über die Kolben (2) erfolgt.
Axialkolbenmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, bei der Kolbenbohrungsachsen (30) der Zylinder (3) auf einer ersten Kreislinie um eine Zylindertrommelachse (70) verteilt sind, und bei der die Kolbenlängsachsen (20) auf einer zweiten Kreislinie um eine Kolbenplattenachse 80 verteilt sind dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (D_K) der zweiten Kreislinie größer gewählt ist als der Durchmesser (Dz) der ersten Kreislinie.
Axialkolbenmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialkolbenmaschine (1) eine sogenannte Floating Piston Maschine ist.
Axialkolbenmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialkolbenmaschine (1) eine Schrägscheibenmaschine ist.
Verfahren zum Herstellen eines Dichtrings nach einem der Ansprüche 1-22, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangsprodukt eine Vollkugel gewählt wird und dass parallel zu einem Großkreis dieser Vollkugel zwei Kugelsegmente entfernt werden, wodurch eine Kugelscheibe erhalten wird.
Verfahren zum Herstellen eines Dichtrings nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass eine zentrische Bohrung durch die Rotationsachse der Kugelscheibe vorgenommen wird.