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Die Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Aus der
DE 39 04 782 A1 ist eine Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise bekannt. Zwischen der Triebwelle und der Zylindertrommel ist eine Kolben-Zylinder-Einheit angeordnet, mit welcher eine Stirnfläche der Zylindertrommel gegen eine Steuerfläche andrückbar ist. Der in der Kolben-Zylinder-Einheit anliegende Steuerdruck wird der Steuerausnehmung entnommen, in welcher der Hochdruck anliegt.
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Ein Vorteil der vorliegenden Axialkolbenmaschine besteht darin, dass sie mit hohen Drehzahlen der Zylindertrommel und gleichzeitig mit hohen Betriebsdrücken betrieben werden kann. Dabei ist der Verschleiß zwischen der Stirnfläche und der Steuerfläche gering, wobei die dort auftretenden Leckagen ebenfalls gering sind. Weiter ist ein Betrieb bei Drehzahlen in der Nähe von Null möglich.
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Gemäß Anspruch 1 wird vorgeschlagen, dass an der Steuerfläche wenigstens eine von der ersten und der zweiten Steuerausnehmung verschiedene Übergabeausnehmung angeordnet ist, wobei die wenigstens eine Übergabeausnehmung so ausgebildet ist, dass in jeder Drehstellung der Zylindertrommel zumindest eine zweite Mündungsöffnung eine Übergabeausnehmung abschnittsweise überdeckt, wobei eine stetig verstellbare Steuerblende und eine Fluidquelle vorgesehen sind, wobei die Fluidquelle über die Steuerblende mit zumindest einer Übergabeausnehmung fluidisch verbunden ist, wobei eine Steuervorrichtung vorgesehen ist, welche so eingerichtet und mit der Steuerblende verbunden ist, dass die Steuerblende zumindest abhängig von einem Hochdruck der Axialkolbenmaschine verstellbar ist.
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Die Axialkolbenmaschine umfasst vorzugsweise ein Gehäuse, in welchem die Zylindertrommel bezüglich der Drehachse drehbar gelagert ist. Die Kolben-Zylinder-Einheit ist vorzugsweise zumindest mittelbar an dem Gehäuse abgestützt. Die Axialkolbenmaschine hat vorzugsweise einen ersten und einen zweiten Arbeitsanschluss, wobei eine Drehung der Zylindertrommel mit einem Fluidstrom zwischen dem ersten und dem zweiten Arbeitsanschluss einhergeht. Die Axialkolbenmaschine wird vorzugsweise mit einem Druckfluid verwendet, bei dem es sich vorzugsweise um eine Flüssigkeit und höchst vorzugsweise um Hydrauliköl handelt. Der Hochdruck wird vorzugsweise vom höheren Druck aus dem Druck am ersten Arbeitsanschluss und dem Druck am zweiten Arbeitsanschluss gebildet. Die Fluidquelle ist vorzugsweise der Hochdruck. Eine Kolben-Zylinder-Einheit umfasst vorzugsweise zwei gesonderte, gegeneinander verschiebbare Körper, welche gemeinsam einen Fluidraum umgrenzen, in welcher der Steuerdruck anliegt. Die genannte Verschiebbarkeit ist vorzugsweise in Richtung der Drehachse gerichtet. Der Hochdruck wird vorzugsweise mittels eines zweiten Drucksensors gemessen, welcher an die Steuervorrichtung angeschlossen ist.
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Die Zylinderbohrungen sind vorzugsweise gleichförmig verteilt um die Drehachse herum angeordnet, wobei auch ein ungleichförmige Verteilung denkbar ist. Die Steuerfläche kann unmittelbar vom Gehäuse gebildet werden. Vorzugsweise wird die Steuerfläche von einer gesonderten Steuerplatte gebildet. Die Steuerplatte ist vorzugsweise drehfest mit dem Gehäuse verbunden, wobei ihre Drehlage bezüglich der Drehachse verstellbar sein kann. In Richtung der Drehachse ist die Steuerplatte vorzugsweise am Gehäuse abgestützt. Vorzugsweise ist zwischen allen Zylinderbohrungen ein Fluidkanal angeordnet. Die Steuerblende ist vorzugsweise elektrisch, höchst vorzugsweise mittels eines Elektromagneten verstellbar, wobei sie elektrisch an die Steuervorrichtung angeschlossen ist. Die Steuervorrichtung umfasst vorzugsweise einen Digitalrechner.
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Die Axialkolbenmaschine ist vorzugsweise in Schrägscheibenbauweise ausgeführt, wobei die Kolben-Zylinder-Einheit an der Antriebswelle abgestützt ist. Die Axialkolbenmaschine kann auch in Schrägachsenbauweise ausgeführt sein. Die Steuerfläche und die Stirnfläche sind vorzugsweise rotationsymmetrisch bezüglich der Drehachse ausgebildet, wobei sie höchst vorzugsweise eben sind.
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In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung angegeben.
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Es kann vorgesehen sein, dass die zweite Mündungsöffnung hinsichtlich ihres radialen Abstands zur Drehachse jeweils so angeordnet ist, dass in keiner Drehstellung der Zylindertrommel eine Fluidaustauschverbindung zwischen einer ersten und einer zweiten Mündungsöffnung besteht, ausgenommen eine gewünschtenfalls vorgesehene Fluidaustauschverbindung, welche über die Steuerblende führt. Vorzugsweise sind alle zweiten Mündungsöffnungen vollständig radial außerhalb eines Bezugskreises angeordnet, dessen Mittelpunkt von der Drehachse definiert wird und der durch einen radial äußersten Punkt der ersten Mündungsöffnungen verläuft. Hierdurch wird ein hydraulischer Kurzschluss zwischen den ersten und den zweiten Mündungsöffnungen vermieden, welcher die Steuerblende umgeht.
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Es können mehrere Übergabeausnehmungen vorgesehen sein, welche verteilt um die Drehachse herum angeordnet sind, wobei sie parallel an die Steuerblende angeschlossen sind. Die Übergabeausnehmungen sind vorzugsweise gleichförmig verteilt um die Drehachse herum angeordnet. Vorzugsweise sind genau zwei Übergabeausnehmungen vorgesehen, welche bezüglich der Drehachse diametral gegenüberliegend angeordnet sind. Die Übergabeausnehmungen sind vorzugsweise untereinander identisch ausgeführt, wobei sie insbesondere die gleiche Form der Umrandung und den gleichen Abstand zur Drehachse aufweisen. Sie sind vorzugsweise in Form eines kreisförmig gebogenen Langlochs ausgebildet, wobei der entsprechende Kreismittelpunkt von der Drehachse definiert wird. Die in radialer Richtung gemessene Breite des Langlochs ist vorzugsweise gleich dem entsprechenden Durchmesser der zweiten Mündungsöffnungen. Die zweiten Mündungsöffnungen werden vorzugsweise von einer kreiszylindrischen Bohrung definiert, welche schräg zur Stirnfläche ausmündet, so dass die zweiten Mündungsöffnungen einen elliptischen Umriss haben. Der gennannte Durchmesser ist der größere, in radialer Richtung gemessene Durchmesser dieser Ellipse. Die Länge der Übergabeausnehmung in Umfangsrichtung bzw. die Länge des Langlochs wird vorzugsweise so klein wie möglich gewählt, wobei die Bedingung des Anspruchs 1 eingehalten ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass eine erste hydraulisch wirksame Fläche der Kolben-Zylinder-Einheit größer als eine zweite hydraulisch wirksame Fläche ist, wobei die zweite hydraulisch wirksame Fläche von allen Übergabeausnehmungen zusammengenommen definiert wird. Unter einer hydraulisch wirksamen Fläche soll die Fläche verstanden werden, die multipliziert mit dem dort wirkenden Druck eine hydraulische Kraft in Richtung der Drehachse ergibt. Der Flächeninhalt der zweiten hydraulisch wirksamen Fläche beträgt vorzugsweise zwischen 5% und 50% des Flächeninhalts der ersten hydraulisch wirksamen Fläche. Damit ist gewährleistet, dass die Zylindertrommel von der Kolben-Zylinder-Einheit mit einer ausreichend hohen Kraft gegen die Steuerfläche gedrückt werden kann.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Zylinderbohrungen jeweils einen kreiszylindrischen Abschnitt aufweisen, dessen Querschnittsfläche zwischen 90% und 130% der Querschnittsfläche der zugeordneten ersten Mündungsöffnung beträgt. Der genannte Bereich beträgt vorzugsweise 95% bis 120%. Würde man die ersten Mündungsöffnungen noch größer machen, würde sich der Strömungswiderstand beim Ansaugen nicht weiter verringern, wobei gleichzeitig die Zylindertrommel von der Steuerfläche weg gedrückt werden würde. Würde man die ersten Mündungsöffnungen kleiner machen, ist eine sinnvolle Regelung der Anpresskraft nicht möglich, da die Zylindertrommel vom Druck in den Zylinderbohrungen zu stark gegen die Steuerfläche gedrückt werden würden. Die wenigstens eine erste Mündungsöffnung hat vorzugsweise eine von der Kreisform abweichende Form, deren Breite in radialer Richtung kleiner als der Durchmesser des kreiszylindrischen Abschnitts ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass ein erster und ein zweiter Arbeitsanschluss der Axialkolbenmaschine eingangsseitig an ein Wechselventil angeschlossen sind, wobei die Steuerblende ausgangsseitig an das Wechselventil angeschlossen ist. Damit kann auf eine gesonderte Fluidquelle verzichtet werden. Gleichzeitig ist ein 4-Quadranten-Betrieb der Axialkolbenmaschine möglich. Es kommt nicht darauf an, welcher der beiden Arbeitsanschlüsse den höheren Druck führt.
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Es kann vorgesehen sein, dass ein Gehäuse der Axialkolbenmaschine ein erstes und ein zweites Gehäuseteil umfasst, wobei das erste Gehäuseteil topfartig ausgebildet ist, wobei dessen offene Seite vom zweiten Gehäuseteil überdeckt wird, wobei ein erster und ein zweiter Arbeitsanschluss am zweiten Gehäuseteil angeordnet sind, wobei die Steuerblende von einem Steuerventil gebildet wird, welches an das zweite Gehäuseteil angebaut ist. Das Steuerventil ist vorzugsweise als Cartridge-Ventil ausgeführt, welches abschnittsweise in eine Ventilbohrung im zweiten Gehäuseteil eingebaut ist. Bei dem Steuerventil handelt es sich vorzugsweise um ein 2/2-Proportional-Wegeventil, welches höchst vorzugsweise direktgesteuert ausgebildet ist, wobei es elektrisch verstellbar ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Übergabeausnehmung in Form eines kreisförmig gebogenen Langlochs ausgebildet ist, wobei der entsprechende Kreismittelpunkt von der Drehachse definiert wird. Die Fläche der Übergabeausnehmung ist damit minimal, so dass der Steuerdruck in der Übergabeausnehmung eine kleine Kraft auf die Zylindertrommel ausübt. Wenn die Steuerfläche an einer gesonderten Steuerplatte angeordnet ist, wird die Übergabeausnehmung vorzugsweise von einem Durchbruch in der Steuerplatte gebildet. Der Durchbruch kann die Steuerplatte mit einer konstanten Querschnittsform durchsetzen. Es ist aber auch denkbar, dass die Übergabeausnehmung von einer Nut gebildet wird, an deren Nutgrund mehrere Bohrungen vorgesehen sind, welche die Steuerplatte durchsetzen. Die letztgenannte Alternative ermöglicht höhere Betriebsdrücke.
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Es kann vorgesehen sein, dass zwischen allen Zylinderbohrungen jeweils ein einziger Fluidkanal angeordnet ist, wobei alle Fluidkanäle parallel an die Kolben-Zylinder-Einheit angeschlossen sind, wobei die zweiten Mündungsöffnungen alle den gleichen radialen Abstand zur Drehachse aufweisen. Die zweiten Mündungsöffnungen sind vorzugsweise gleichförmig verteilt um die Drehachse herum angeordnet. Bei dieser Ausführungsform kann die zweite hydraulisch wirksame Fläche der Übergabeausnehmungen besonders klein ausgeführt werden.
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Es kann eine Triebwelle vorgesehen sein, welche von der Zylindertrommel umgeben ist, wobei die Zylindertrommel bezüglich der Drehachse drehfest mit der Triebwelle verbunden ist, wobei die Kolben-Zylinder-Einheit einen ersten und einen zweiten Ringkolben umfasst, welche jeweils zwischen der Triebwelle und der Zylindertrommel angeordnet sind, wobei der erste Ringkolben in Richtung der Drehachse von der Stirnfläche weg an der Triebwelle abgestützt ist, wobei der zweite Ringkolben in Richtung der Drehachse auf die Stirnfläche zu an der Zylindertrommel abgestützt ist, wobei der erste und der zweiten Ringkolben, die Triebwelle und die Zylindertrommel zusammen einen Fluidraum umgrenzen, in welchem der Steuerdruck anliegt. Diese Kolben-Zylinder-Einheit benötigt besonders wenig Bauraum. Sie ist überdies kostengünstig herstellbar. Der Fluidraum ist vorzugsweise ausschließlich an den wenigstens einen Fluidkanal angeschlossen, wobei er im Übrigen fluid- und/oder druckdicht verschlossen ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass der erste und/oder der zweite Ringkolben jeweils einen Fortsatz aufweist, der zum anderen, zweiten oder ersten Ringkolben, hin weist, wobei er jeweils so ausgebildet ist, das der genannte Fluidraum ein von Null verschiedenes Volumen aufweist, wenn der erste und der zweite Ringkolben im Bereich des Fortsatzes aneinander anliegen. Damit kann das Druckfluid aus dem wenigstens einen Fluidkanal immer ungehindert in den Fluidraum einströmen. Wenn die beiden Ringkolben aneinander anliegen, ist die erste hydraulisch wirksame Fläche nur wenig reduziert, gegenüber einem Zustand, in dem der erste und der zweite Ringkolben voneinander beabstandet sind. Der Fortsatz ist vorzugsweise jeweils derart abseits der Zylindertrommel angeordnet, dass er die Mündungsöffnung des wenigstens einen ersten Fluidkanals nicht überdecken kann.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
- 1 einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine;
- 2 einen hydraulischen Schaltplan der Axialkolbenmaschine nach 1;
- 3 einen Ausschnitt von 1 im Bereich der Kolben-Zylinder-Einheit;
- 4 einen Längsschnitt der Zylindertrommel;
- 5 eine Seitenansicht der Zylindertrommel nach 4;
- 6 eine perspektivische Ansicht der Steuerplatte; und
- 7 einen Schaltplan der Regelung der Axialkolbenmaschine nach 1.
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1 zeigt einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine 10. Die Axialkolbenmaschine 10 umfasst ein Gehäuse 40, welches vorliegend aus einem ersten und einem zweiten Gehäuseteil 41; 42 zusammengesetzt ist. Das erste Gehäuseteil 41 ist topfartig ausgeführt, wobei dessen offene Seite von dem plattenartigen zweiten Gehäuseteil 42 überdeckt ist, so dass sich ein abgeschlossener Innenraum ergibt. In dem Gehäuse 40 ist eine Triebwelle 33 mit einem ersten und einem zweiten Drehlager 31; 32 bezüglich einer Drehachse 30 drehbar gelagert. Das erste und das zweite Drehlager 31; 32 sind vorliegend als Kegelrollenlager ausgeführt. Die Triebwelle 33 ragt mit einem Zapfen 34 aus dem Gehäuse 40 heraus, welcher vorliegend mit einer Keilwellenverzahnung versehen ist.
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Innerhalb des Gehäuses 40 ist die Triebwelle 33 von einer Zylindertrommel 60 umgeben, welche über eine Keilwellenverzahnung (Nr. 66 in 4) bezüglich der Drehachse 30 drehfest mit der Triebwelle 33 verbunden ist. Die Zylindertrommel 60 hat eine in Richtung der Drehachse 30 weisende Stirnfläche 63, mit welcher sie an einer Steuerfläche 54 anliegt. Die Stirnfläche 63 ist vorliegend eben und senkrecht zur Drehachse 30 angeordnet. Es kann aber auch eine bezüglich der Drehachse 30 rotationssymmetrische Stirnfläche 63 verwendet werden, die beispielsweise konkav gebogen ist. Letzteres ist beispielsweise bei einer Axialkolbenmaschine in Schrägachsenbauweise geläufig. In der Zylindertrommel 60 sind mehrere linearbewegliche Arbeitskolben 13 aufgenommen, die vorzugsweise gleichmäßig verteilt um die Drehachse 30 herum angeordnet sind. Eine Bewegungsachse der Arbeitskolben 13 ist vorliegend leicht geneigt zur Drehachse 30 angeordnet.
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Die Steuerfläche 54 ist vorliegend an einer gesonderten Steuerplatte 50 angeordnet, wobei sie auch unmittelbar am Gehäuse 40 angeordnet sein kann. Die Steuerplatte 50 ist bezüglich der Drehachse 30 drehfest mit dem Gehäuse 40 verbunden, wobei sie in Richtung der Drehachse 30 am Gehäuse 40 abgestützt ist. Demnach ergibt sich zwischen der Stirnfläche 63 und der Steuerfläche 54 beim Betrieb der Axialkolbenmaschine 10 eine Relativdrehung, wobei sich dort ein hydrostatischer Schmierfilm ausbildet. Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die durch diesen Schmierfilm verursachten Leckagen unter allen Betriebsbedingungen minimal sind, wobei gleichzeitig ein minimaler Verschleiß zu beobachten ist. Die Axialkolbenmaschine 10 kann dabei insbesondere mit hohen Drücken und/oder hohen Drehzahlen betrieben werden. Weiter kann sie bei einer Drehzahl in der Nähe von Null betrieben werden.
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Die vorliegende Axialkolbenmaschine 10 ist in Schrägscheibenbauweise ausgebildet, wobei die vorliegende Erfindung auch für Axialkolbenmaschinen in Schrägachsenbauweise anwendbar ist. Die Schwenkwiege 15 ist bezüglich einer Schwenkachse schwenkbeweglich, die senkrecht zur Drehachse 30 angeordnet ist. Vorliegend schneidet die Schwenkachse die Drehachse 30, wobei sie auch mit Abstand zur Drehachse 30 angeordnet sein kann. Die Arbeitskolben 13 sind jeweils über einen Gleitschuh 14 an einer ebenen Fläche der Schwenkwiege 15 abgestützt, wobei die entsprechenden Kontaktflächen vorzugsweise hydraulisch entlastet sind. Der Schwenkwinkel der Schwenkwiege ist vorliegend mittels eines ersten und eines zweiten Stellzylinders 16; 17, die jeweils als einfachwirkende Zylinder ausgebildet sind, verstellbar. Die vorliegende Axialkolbenmaschine 10 ist über Null verstellbar, d.h. die Durchströmungsrichtung lässt sich allein durch Verschwenken der Schwenkwiege 15 umkehren, ohne dass sich die Drehrichtung der Zylindertrommel ändert. Die vorliegende Erfindung ist aber auch für Axialkolbenmaschine anwendbar, welche sich ausgehend vom Verdrängungsvolumen Null nur in eine Richtung verstellen lassen, oder für Axialkolbenmaschinen, deren Verdrängungsvolumen konstant ist.
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Hinzuweisen ist noch auf die Kolben-Zylinder-Einheit 80, mit welcher die Zylindertrommel 60 an die Steuerfläche 54 definiert hydraulisch andrückbar ist, wobei wegen weiterer Details auf die Ausführungen zu 3 verwiesen wird.
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2 zeigt einen hydraulischen Schaltplan der Axialkolbenmaschine 10 nach 1. Die Axialkolbenmaschine 10 hat einen ersten und einen zweiten Arbeitsanschluss 11; 12, welche vorliegend am zweiten Gehäuseteil (Nr. 42 in 1) angeordnet sind. Die Axialkolbenmaschine 10 ist vorliegend 4-Quadranten-fähig, d.h. sie kann mit zwei entgegengesetzten Drehrichtungen der Triebwelle betrieben werden, wobei in beiden Fällen zwei entgegengesetzte Durchströmungsrichtungen möglich sein. Der Druck am ersten und am zweiten Arbeitsanschluss 11; 12 kann dabei weitgehend beliebig sein. In der Folge kann die Axialkolbenmaschine 10 im Wechsel als Pumpe und als Motor arbeiten. Die Triebwelle der Axialkolbenmaschine 10 steht mit einem Motor 12 in Drehantriebsverbindung, welcher als Elektromotor oder als Verbrennungsmotor ausgeführt sein kann. Eine Drehung der Triebwelle geht mit einem Fluidstrom zwischen dem ersten und dem zweiten Arbeitsanschluss 11; 12 einher, soweit das eingestellte Verdrängungsvolumen von Null verschieden ist.
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Der eingestellte Schwenkwinkel, und mittelbar das Verdrängungsvolumen, ist vorliegend mit einem Schwenkwinkelsensor 113 messbar. Die Temperatur des Druckfluids, und mittelbar dessen Viskosität, ist vorliegend mit einem Temperartursensor 115 messbar, welcher an den ersten oder den zweiten Arbeitsanschluss 11; 12 angeschlossen sein kann. Die Drehzahl der Triebwelle bzw. der Zylindertrommel ist vorzugliegend mit einem Drehzahlsensor 114 messbar.
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Der erste und der zweite Arbeitsanschluss 11; 12 sind eingangsseitig an ein Wechselventil 22 angeschlossen. An dessen Ausgang liegt somit der höhere Druck aus dem Druck am ersten Arbeitsanschluss 11 und dem Druck am zweiten Arbeitsanschluss 12 an. Dieser Druck wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung als Hochdruck 20 bezeichnet. Er dient vorliegend als Fluidquelle 21 für die Versorgung des Steuerventils 90 mit Druckfluid. Hierbei ist anzumerken, dass als Fluidquelle auch eine gesonderte Steuerölpumpe zum Einsatz kommen kann. Der Hochdruck 20 wird vorliegend mit einem zweiten Drucksensor 112 gemessen.
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Der Hochdruck 20 wird über ein Steuerventil 90 zu den beiden Übergabeausnehmungen 55 in der Steuerplatte 50 geleitet, die parallel an das Steuerventil 90 angeschlossen sind. Das Steuerventil 90 umfasst eine stetig verstellbare Steuerblende 91, deren Öffnungsquerschnitt von Null bis zu einem vorgegebenen Maximalwert verstellbar ist. Die Verstellung geschieht vorzugsweise elektrisch, höchstvorzugsweise mittels eines Elektromagneten 94, dessen Stellkraft unmittelbar auf den Ventilschieber bzw. den Ventilkegel des Stellventils 90 einwirkt. Das Steuerventil 90 ist vorliegend mittels einer Feder 93 in die gesperrte Stellung vorgespannt. Es ist vorliegend als 2/2-Wege-Proportionalventil ausgeführt. Der stromabwärts der Steuerblende 91 anliegende Druck wird als Steuerdruck 85 bezeichnet. Der Steuerdruck 85 wird vorliegend mittels eines ersten Drucksensors 111 gemessen. Alle in 2 gezeigten Sensoren 111; 112; 113; 114; 115 sind an eine Steuervorrichtung 92 angeschlossen, wobei dort auch der Elektromagnet 94 des Steuerventils 90 angeschlossen ist, so dass das Steuerventil 90 durch die Steuervorrichtung 92 verstellbar ist. Die Steuervorrichtung 92 implementiert die weiter unten mit Bezug auf 7 beschriebene Regelung. Sie umfasst vorzugsweise einen programmierbaren Digitalrechner.
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3 zeigt einen Ausschnitt von 1 im Bereich der Kolben-Zylinder-Einheit 80. Die Kolben-Zylinder-Einheit 80 umfasst einen ersten und einen zweiten Ringkolben 81; 82, die jeweils zwischen der Triebwelle 33 und der Zylindertrommel 60 aufgenommen sind. Die entsprechenden, vorzugsweise bezüglich der Drehachse 30 kreiszylindrischen, Berührspalten sind jeweils mit einem Dichtring 86, insbesondere einem O-Ring, im Wesentlichen fluiddicht abgedichtet. Der erste Ringkolben 81 ist in Richtung der Drehachse 30 von der Steuerfläche (Nr. 54 in 1) weg an einem Absatz an der Triebwelle 33 formschlüssig abgestützt. Der zweite Ringkolben 82 ist in Richtung der Drehachse 30 auf die Steuerfläche (Nr. 54 in 1) zu über einen Sicherungsring 87 an der Zylindertrommel 60 abgestützt. Die Zylindertrommel 60, die Triebwelle 33 und der erste und der zweite Ringkolben 81; 82 begrenzen zusammen einen Fluidraum 84, welcher bis auf die Fluidkanäle 65 im Wesentlichen fluiddicht verschlossen ist. Die Zylindertrommel 60 ist in Richtung der Drehachse 30 minimal beweglich gegenüber der Triebwelle 33, so dass der im Fluidraum 84 anstehende Steuerdruck 85 die Zylindertrommel 60 gegen die Steuerfläche (Nr. 54 in 1) drückt. Die entsprechende Gegenkraft wird über die Triebwelle 33 am ersten Drehlager (Nr. 31 in 1) abgestützt. Die Einbaulage des entsprechenden Kegelrollenlagers ist entsprechend gewählt, so dass die beiden Kegelrollenlager eine O-Anordnung bilden.
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Hinzuweisen ist außerdem auf den Fortsatz 83 am ersten und am zweiten Ringkolben 81; 82. Diese sind zunächst so angeordnet, dass der erste und der zweite Ringkolben 81; 82 die Mündungsöffnungen 68 der Fluidkanäle nicht überdecken können. Weiter ist die entsprechende Fläche, an dem der erste und der zweite Ringkolben 81; 82 zur Anlage kommen können, klein gegenüber der gesamten Stirnfläche des ersten bzw. des zweiten Ringkolbens 81; 82 ausgeführt. Somit ist in jeder Stellung der Ringkolben 81; 82 gewährleistet, dass der Steuerdruck 85 eine ausreichend große Andruckkraft der Zylindertrommel 60 auf die Steuerfläche (Nr. 54 in 1) bewirkt.
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4 zeigt einen Längsschnitt der Zylindertrommel 60. Zu erkennen ist eine Zylinderbohrung 64, wobei alle Zylinderbohrungen 64 identisch ausgeführt sind. Die Zylinderbohrung 64 hat einen kreiszylindrischen Abschnitt 67, in welchem der zugeordnete Arbeitskolben (Nr. 13 in 1) linearbeweglich und im Wesentlichen fluiddicht aufgenommen ist. Der kreiszylindrische Abschnitt kann von einer gesonderten Laufbuchse aus einem Gleitlagermaterial wie Bronze gebildet sein. Die Zylinderbohrung 64 mündet mit einer ersten Mündungsöffnung 61 an der Stirnfläche 63 aus. Die Querschnittsfläche der ersten Mündungsöffnung 61 kann gleich der Querschnittsfläche des kreiszylindrischen Abschnitts 67 oder etwas kleiner sein. Im letzten Fall wird allein durch die hydraulischen Kräfte in der Zylinderbohrung 64 eine Anpressung der Zylindertrommel 60 an die Steuerfläche (Nr. 54 in 1) bewirkt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sollte diese Kraft im Vergleich zu der mit der Kolben-Zylinder-Einheit (Nr. 80 in 3) erzielbaren Kraft nicht zu groß sein, damit eine sinnvolle Regelung der entsprechenden Anpresskraft möglich ist. Die vorliegende Erfindung ermöglicht besonders große erste Mündungsöffnungen 61, so dass die Axialkolbenmaschine auch bei sehr hohen Drehzahlen der Zylindertrommel 60 im Ansaugbereich nicht kavitiert.
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Zwischen zwei benachbarten Zylinderbohrungen 64 ist jeweils ein Fluidkanal 65 angeordnet, welcher derart geneigt zur Drehachse 30 verläuft, dass er einerseits mit einer zweiten Mündungsöffnung 62 an der Stirnfläche 63 ausmündet, wobei er am gegenüberliegenden Ende mit einer dritten Mündungsöffnung 68 in den Fluidraum (Nr. 84 in 3) ausmündet. Alle Fluidkanäle 65 sind untereinander identisch ausgebildet. Sie sind gerade ausgeführt, wobei sie vorliegend als kreiszylindrische Stufenbohrungen ausgeführt sind. Der Abschnitt, welcher die zweite Mündungsöffnung 62 bildet, hat dabei einen kleineren Durchmesser als der andere Abschnitt. Hierdurch soll eine Minimierung der Fläche der zugeordneten Übergabeausnehmungen (Nr. 55 in 6) erreicht werden, damit die dort wirkende hydraulische Kraft klein gegenüber der Kraft der Kolben-Zylinder-Einheit ist.
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Die Zylindertrommel 60 ist vorliegend einstückig ausgebildet. Insbesondere im Bereich des kreiszylindrischen Abschnitts 67 und der Stirnfläche 63 kann sie oberflächengehärtet, beispielsweise nitrocarburiert sein. Die Zylindertrommel 60 besteht beispielsweise aus Stahl oder aus Gusseisen.
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5 zeigt eine Seitenansicht der Zylindertrommel 60 nach 4. Zu erkennen ist die von der Kreisform abweichende Form der ersten Mündungsöffnungen 61. Deren Breite in radialer Richtung ist insbesondere kleiner ausgeführt als deren Länge in Umfangsrichtung. Die ersten Mündungsöffnungen 61 sind so nah wie möglich an der Keilwellenverzahnung 66 angeordnet, damit dort besonders geringe Zentrifugalkräfte auf das Druckfluid einwirken. Durch diese Maßnahme kann die maximal zulässige Drehzahl der Zylindertrommel 60 gesteigert werden. Die ersten Mündungsöffnungen 61 definieren einen Bezugskreis 70, dessen Mittelpunkt die Drehachse 30 ist. Der radial am weitesten außen gelegene Punkt einer jeden ersten Mündungsöffnung 61 liegt auf diesem Bezugskreis 70. Die zweiten Mündungsöffnungen 62 sind alle radial außerhalb des Bezugskreises 70 angeordnet. Damit besteht in keiner Stellung der Zylindertrommel 60 eine unmittelbare Fluidverbindung zwischen den Zylinderbohrungen 64 und dem Steuerdruck (Nr. 85 in 2). Diese verläuft stattdessen immer über die verstellbare Steuerblende (Nr. 91 in 2).
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Vorliegend sind insgesamt neun Zylinderbohrungen 64 vorgesehen, die gleichförmig verteilt um die Drehachse 30 herum angeordnet sind. Zwischen allen Zylinderbohrungen 64 ist vorliegend jeweils ein Fluidkanal mit einer entsprechenden zweiten Mündungsöffnung 62 angeordnet. Der Abstand (Nr. 71 in 4) aller zweiten Mündungsöffnungen zur Drehachse 30 ist gleich ausgeführt. Grundsätzlich ist es denkbar, nur zwischen einem Teil der Zylinderbohrungen 64 einen Fluidkanal vorzusehen. Dann müssten sich die Übergabeausnehmungen (Nr. 55 in 6) über einen größeren Abschnitt des Umfangs erstrecken, so dass sich dort größere hydraulische Kräfte ergeben, was unerwünscht ist.
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6 zeigt eine perspektivische Ansicht der Steuerplatte 50 und zwar von der Steuerfläche 54 her. Die Steuerplatte 50 ist im Wesentlichen als ebene Platte mit konstanter Dicke ausgeführt. Ihre in 6 nicht sichtbare Rückseite ist vollständig eben ausgeführt. Die Steuerfläche 54 ist demgegenüber mit einer inneren Ringausnehmung 57, einer Ringnut 56 und einer äußeren Ringausnehmung 58 versehen. Die innere Ringausnehmung 57 und die Ringnut 56 definiert die Fläche, mit welcher die Steuerfläche 54 im Bereich der ersten und der zweiten Steuerausnehmung 51; 52 an der Stirnfläche der Zylindertrommel anliegt. Diese Fläche definiert die dort auftretenden Leckagen. Sie ist so ausgelegt, dass sich unter allen Betriebsbedingungen ein so dicker hydrostatischer Schmierfilm ausbildet, dass die Stirnfläche im Wesentlichen vollständig von der Steuerfläche 54 getrennt ist. Dicker sollte der genannte Schmierfilm jedoch nicht sein.
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Die erste und die zweite Steuerausnehmung 51, 52 sind jeweils als kreisförmig gebogene Langlöcher ausgebildet, wobei der entsprechenden Kreismittelpunkt von der Drehachse 30 definiert wird. Sie sind fluchtend zu den ersten Mündungsöffnungen (Nr. 61 in 6) der Zylindertrommel angeordnet. In Umfangsrichtung können sie an beiden Enden mit Kerben 53 versehen sein, mit denen Druckspitzen beim Betrieb der Axialkolbenmaschine minimiert werden. Die erste und die zweite Steuerausnehmung 51; 52 durchsetzen die Steuerplatte 50 in Richtung der Drehachse 30. Sie sind spiegelsymmetrisch ausgebildet, da die vorliegende Axialkolbenmaschine 4-Quadranten-fähig ist.
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Zwischen der Ringnut 56 und der äußeren Ringausnehmung 58 sind die beiden Übergabeausnehmungen 55 angeordnet. Diese durchsetzen die Steuerplatte 50 in Richtung der Drehachse 30. Sie sind jeweils als kreisförmig gebogenes Langloch ausgebildet, wobei der entsprechende Kreismittelpunkt von der Drehachse 30 definiert wird. Ihre Breite in radialer Richtung ist gleich der entsprechenden Breite (Nr. 72 in 4) der zweiten Mündungsöffnungen, wobei sie fluchtend zu diesen angeordnet sind. Ihre Länge in Umfangsrichtung ist so gewählt, dass in jeder Drehstellung der Zylindertrommel zumindest eine zweite Mündungsöffnung über einer Übergabeausnehmung 55 steht. Ihre Länge ist etwas größer als die Hälfte des in 5 sichtbaren Teilungsabstands der zweiten Mündungsöffnungen. Die beiden Übergabeausnehmungen 55 sind spiegelbildlich zueinander angeordnet. Es versteht sich, dass jede beliebige Anzahl an Übergabeausnehmungen 55 verwendbar ist, soweit ihre Länge in Umfangsrichtung entsprechend ausgelegt ist.
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Die Ringnut 56 ist am Nutgrund mit einem zweiten Durchbruch 132 versehen, welcher die Steuerplatte 50 in Richtung der Drehachse 30 durchsetzt. Dort werden die sich in der Ringnut 56 ansammelnden Leckagen zum Innenraum des Gehäuses hin abgeleitet, um von dort weiter über einen Leckageanschluss am Gehäuse in einen Tank geleitet zu werden. Der erste Durchbruch 131 im Zentrum der Steuerplatte 50 wird von der Triebwelle (Nr. 33 in 1) durchsetzt.
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7 zeigt einen Schaltplan der Regelung der Axialkolbenmaschine nach 1. Der entsprechende Regler 100 ist vorzugsweise ein stetiger, linearer Regler, wobei er beispielsweise als PI-Regler ausgeführt ist. Die Regelabweichung 105 wird aus der Differenz zwischen einer Soll-Größe 103 und einer Ist-Größe 102 gebildet. Die Ist-Größe ist der vom ersten Drucksensor 111 gemessene Steuerdruck. Die Soll-Größe 102 wird mittels eines ersten Kennfelds 121 ermittelt. Dessen Eingangsgröße ist der mit dem zweiten Drucksensor 112 gemessene Hochdruck, wobei die Messwerte des Drehzahlsensors 114 und/oder des Schwenkwinkelsensors 113 und/oder des Temperatursensors 115 als weitere Eingangsgrößen verwendet werden können. Das erste Kennfeld 121 ist so ausgelegt, dass die Regelung eine im Wesentlichen konstante Dicke des hydrostatischen Schmierfilms zwischen der Stirnfläche der Zylindertrommel und der Steuerfläche ergibt.
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Die Stellgröße 101 des Reglers wirkt auf das Stellventil 90. Das Stellventil 90 kann eine einzige verstellbare Steuerblende 91 umfassen, da die unvermeidbaren Leckagen einen ständigen Abfall des Steuerdrucks (Nr. 85 in 2) bewirken, wenn diesem Effekt nicht durch entsprechende Öffnung der Steuerblende 91 entgegengewirkt wird. Es hat sich gezeigt, dass sich durch diese besonders einfache Regelung ein besonders stabiles Systemverhalten erreichen lässt.
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Der Regler 100 kann durch eine Vorsteuerung ergänzt werden. Die entsprechende Vorsteuergröße 104 wird vorzugsweise zur Stellgröße 101 des Reglers 100 hinzuaddiert. Die Stellgröße 104 kann mittels eines zweiten Kennfelds 122 ermittelt werden. Die Eingangsgrößen des zweiten Kennfelds 122 können die Messwerte des zweiten Drucksensors 112 und/oder des Drehzahlsensors 114 und/oder des Schwenkwinkelsensors 113 und/oder des Temperatursensors 115 sein. Das zweite Kennfeld 112 kann beispielsweise ermittelt werden, indem ein System ohne Vorsteuerung so lange mit konstanten Messwerten an den genannten Sensoren betrieben wird, bis sich eine konstante Stellgröße 101 einpendelt. Diese Stellgröße wird dann als Vorsteuergröße verwendet. Durch diese Maßnahme kann die Zeitdauer verkürzt werden, bis ein ausgeregelter Zustand erreicht ist.
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Bezugszeichenliste
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- n
- Drehzahl der Zylindertrommel
- T
- Temperatur des Druckfluids
- α
- Schwenkwinkel
- 10
- Axialkolbenmaschine
- 11
- erster Arbeitsanschluss
- 12
- zweiter Arbeitsanschluss
- 13
- Arbeitskolben
- 14
- Gleitschuh
- 15
- Schwenkwiege
- 16
- erster Stellzylinder
- 17
- zweiter Stellzylinder
- 20
- Hochdruck
- 21
- Fluidquelle
- 22
- Wechselventil
- 23
- Motor
- 30
- Drehachse
- 31
- erstes Drehlager
- 32
- zweites Drehlager
- 33
- Triebwelle
- 34
- Zapfen
- 40
- Gehäuse
- 41
- erstes Gehäuseteil
- 42
- zweites Gehäuseteil
- 50
- Steuerplatte
- 51
- erste Steuerausnehmung
- 52
- zweite Steuerausnehmung
- 53
- Kerbe
- 54
- Steuerfläche
- 55
- Übergabeausnehmung
- 56
- Ringnut
- 57
- innere Ringausnehmung
- 58
- äußere Ringausnehmung
- 60
- Zylindertrommel
- 61
- erste Mündungsöffnung
- 62
- zweite Mündungsöffnung
- 63
- Stirnfläche
- 64
- Zylinderbohrung
- 65
- Fluidkanal
- 66
- Keilwellenverzahnung
- 67
- kreiszylindrischer Abschnitt der Zylinderbohrung
- 68
- dritte Mündungsöffnung
- 70
- Bezugskreis
- 71
- radialer Abstand einer zweiten Mündungsöffnung zur Drehachse
- 72
- in radialer Richtung gemessener Durchmesser der zweiten Mündungsöffnung
- 80
- Kolben-Zylinder-Einheit
- 81
- erster Ringkolben
- 82
- zweiter Ringkolben
- 83
- Fortsatz
- 84
- Fluidraum
- 85
- Steuerdruck
- 86
- Dichtring
- 87
- Sicherungsring
- 90
- Steuerventil
- 91
- Steuerblende
- 92
- Steuervorrichtung
- 93
- Feder
- 94
- Elektromagnet
- 100
- Regler
- 101
- Stellgröße
- 102
- Ist-Größe
- 103
- Soll-Größe
- 104
- Vorsteuergröße
- 105
- Regel abwei chung
- 111
- erster Drucksensor
- 112
- zweiter Drucksensor
- 113
- Schwenkwinkelsensor
- 114
- Drehzahlsensor
- 115
- Temperatursensor
- 121
- erstes Kennfeld
- 122
- zweites Kennfeld
- 131
- erster Durchbruch
- 132
- zweiter Durchbruch
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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