DE10209672B3 - Hydraulische Maschine - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft eine hydraulische Maschine mit einem Zahnsatz, der einen Zahnring mit einer Innenverzahnung und ein Zahnrad mit einer Außenverzahnung aufweist, das im Zahnring rotiert und orbitiert, wobei sich die Innenverzahnung und die Außenverzahnung in Berührungsbereichen berühren und Druckkammern voneinander trennen, und mit einer Ventilanordnung, die eine Verbindung zwischen einer Anschlußanordnung, die einen Hochdruckanschluß und einen Niederdruckanschluß aufweist, und den Druckkammern steuert.
- Eine derartige hydraulische Maschine ist beispielsweise aus
EP 0 959 248 A2 bekannt. Über die Ventilanordnung wird im Motorbetrieb den sich ausdehnenden oder expandierenden Druckkammern Hydraulikflüssigkeit unter Druck vom Hochdruckanschluß zugeführt, während die sich verkleinernden Druckkammern über die Ventilanordnung mit dem Niederdruckanschluß verbunden sind, so daß die Hydraulikflüssigkeit aus den Druckkammern, die kleiner werden, verdrängt werden kann. Wenn die Maschine als Pumpe betrieben wird, verbindet die Ventilanordnung die sich verkleinernden Druckkammern mit dem Hochdruckanschluß und die sich vergrößernden Druckkammern mit den Niederdruckanschluß. - Bei einer derartigen Maschine ist es wichtig, daß die Versorgung der einzelnen Druckkammern durch die Ventilanordnung relativ genau gesteuert wird. Dies ist vor allem dann von entscheidender Bedeutung, wenn sich bei einer Druckkammer ein Übergang von einer Expansionsphase zu einer Kontraktionsphase ergibt, d.h. wenn die Druckkammer ihr maximales Volumen oder ihr minimales Volumen erreicht hat.
- Die bekannte Maschine weist eine sekundäre Kommutierung auf, bei der bis zu einem Zeitpunkt kurz vor Erreichen eines minimalen oder eines maximalen Volumens einer jeden Druckkammer außerhalb der Ventilanordnung eine Verbindung zu den jeweils benachbarten Druckkammern sichergestellt ist. Im Moment der Kommutierung wird dafür gesorgt, daß keine Verbindung zwischen der jeweiligen Druckkammer mit maximalem beziehungsweise minimalem Volumen und den entsprechenden benachbarten Druckkammern besteht. Damit soll ein stabilerer Betrieb bei niedrigen Geschwindigkeiten und hohen Drücken erzielt werden.
- Eine hydraulische Maschine der eingangs genannten Art, die auch als Gerotor-Maschine bezeichnet wird, treibt ein Ventilelement der Ventilanordnung, das die Lagerichtige Versorgung der Druckkammern beeinflußt, über eine Kardanwelle oder über eine andere Koppelungseinrichtung an. Hierbei kann es aus vielerlei Gründen zu einer kleine winkelmäßigen Verschiebung zwischen dem Ventilelement und dem Zahnrad kommen, das das Ventilelement antreibt. Diese kleine winkelmäßige Verschiebung führt dann unter Umständen dazu, daß die Druckkammern nicht genau lagerichtig mit den entsprechenden Versorgungsanschlüssen verbunden werden. Dies führt zu einem instabilen Betrieb, der im Extremfall sogar bis zu einer Zerstörung der Maschine führen kann.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen ruhigen Betrieb zu erreichen, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen unter hoher Belastung.
- Diese Aufgabe wird bei einer hydraulischen Maschine der. eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß in jedem Berührungsbereich eine Öffnung vorgesehen ist, die zu einem Zeitpunkt, an dem eine Druckkammer einen Extremwert ihres Volumens aufweist, einen Kurzschluß mit der benachbarten Druckkammer erzeugt.
- Damit wird eine sekundäre Kommutierung erreicht, die zu einer Vermeidung von unzulässigen Druckspitzen in den Druckkammern führt. Diese Vermeidung erfolgt unabhängig davon, ab die Ventilanordnung tatsächlich exakt die lagerichtige Versorgung der Druckkammern sicherstellt oder nicht. Natürlich sind auch bei der Steuerung der Ventilanordnung gewisse Grenzen gesetzt, die nicht überschritten werden dürfen. Durch die Öffnung wird bei dem Übergang von einer Expansionsphase zu einer Kontraktionsphase oder umgekehrt sichergestellt, daß sich auch bei einer geringfügig fehlerhaften Steuerung durch die Ventilanordnung ein Druckausgleich zwischen einander benachbarten Druckkammern ergeben kann. Dabei entsteht zwar ein Kurzschluß zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite. Ein derartiger Kurzschluß sollte bislang immer vermieden werden. Da dieser Kurzschuß aber nur für einen relativ kurzen Zeitraum der höchsten Druckdifferenz ausgesetzt ist und man darüber hinaus durch die Größe der Öffnung einen gewissen Einfluß auf die Menge der hier durchtretenden Flüssigkeit nehmen kann, sind die schädlichen Auswirkungen eines derartigen Kurzschlusses ausgesprochen gering. Sie werden durch die positiven Wirkungen, die man durch den Druckausgleich erzielt, bei weitem aufgehoben.
- Hierbei ist besonders bevorzugt, daß die Öffnung als Drosselöffnung ausgebildet ist. Damit kann man den "Verlust" an Hydraulikflüssigkeit, die durch die Drosselöffnung fließt, klein halten. Dies führt zu einer Steigerung des volumetrischen Wirkungsgrades.
- Vorzugsweise weist die Drosselöffnung einen veränderbaren Drosselwiderstand auf, der in dem Zeitpunkt am größten ist, in dem die Druckkammer einen Extremwert ihres Volumens aufweist. Dadurch erfolgt eine allmähliche Drosselung des Flüssigkeitsstromes zwischen benachbarten Druckkammern bis zu dem Zeitpunkt, an dem eine der beiden Druckkammern ihr maximales oder ihr minimales Volumen einnimmt. Dadurch wird ein zusätzlicher Druckstoß vermieden, der entstehen könnte, wenn man plötzlich eine Drossel in diesen Flüssigkeitspfad einsetzen würde. Gleichwohl wird im Kommuntierungszeitpunkt der Flüssigkeitsverlust klein gehalten.
- Bevorzugterweise ist die Öffnung durch eine Ausnehmung in einer Zahnflanke gebildet. Dies ist eine relativ einfache Möglichkeit, eine derartige Öffnung zu erzeugen. Eine Ausnehmung kann leicht hergestellt werden, beispielsweise durch Fräsen.
- Vorzugsweise ist die Ausnehmung in der Außenverzahnung ausgebildet. Die Außenverzahnung ist in der Regel durch eine Formgebung des Zahnrades gebildet, während die Zähne der Innenverzahnung des Zahnringes vielfach durch Rollen gebildet sind, die sich im Zahnring drehen können. Wenn man die Ausnehmung in der Außenverzahnung ausbildet, dann hat sie eine feste Position, die sich, bezogen auf die Verzahnungsgeometrie, nicht ändert.
- Bevorzugterweise weist die Ausnehmung einen ebenen oder konkav gewölbten Boden auf. Eine derartige Ausnehmung läßt sich leicht herstellen, beispielsweise durch Fräsen. Wenn man einen Fingerfräser verwendet, dann wird ein ebener Boden erzeugt. Bei einem Scheibenfräser ergibt sich in Abhängigkeit von dem Durchmesser der Scheibe unter Umständen auch ein konkav gewölbter Boden. Da die Zahnflanke im übrigen gewölbt ist, ergibt sich auf diese Weise eine allmähliche Zunahme der Tiefe der Ausnehmung. Dies führt auf einfache Weise zu einem sich verändernden Drosselwiderstand, der seinen größten Wert dann erreicht, wenn die jeweilige Druckkammer ihr maximales oder ihr minimales Volumen eingenommen hat.
- vorzugsweise ist die Ausnehmung in der axialen Mitte der Verzahnung angeordnet. Dadurch werden möglicherweise entstehende asymmetrische Kräfte auf den Zahnsatz vermieden. Die Ausnehmung ist in Axialrichtung relativ kurz. Dementsprechend steht in der axialen Mitte der Verzahnung ausreichend Platz zur Verfügung, um die Ausnehmung unterzubringen.
- Vorzugsweise ist auf beiden Seiten eines Zahnes jeweils eine Ausnehmung angeordnet. Damit läßt sich die Maschine unabhängig von der Drehrichtung betreiben. In allen Fällen ist sichergestellt, daß bei Erreichen des minimalen Volumens oder des maximalen Volumens einer Druckkammer eine Verbindung zur jeweils benachbarten Druckkammer besteht, über die ein Druck aufgebaut werden kann.
- Vorzugsweise weist die Ventilanordnung eine drehbar angetriebene Ventilplatte auf, die im wesentlichen plan an einer Kanalplatte anliegt. Ein derartiges Planschieberventil hat gegenüber einem Trommelschieberventil den Vorteil, daß es mit geringerem Spiel arbeiten kann und somit eine verbesserte Dichtigkeit aufweist. Allerdings muß man dafür sorgen, daß die Ventilplatte im Betrieb möglichst gut im Gleichgewicht gehalten wird, um einen zu starken Verschleiß durch die Reibung gegenüber der Kanalplatte zu vermeiden.
- Hierbei ist bevorzugt, daß die Ventilplatte durch eine federbelastete Gleichgewichtsplatte in Richtung auf die Kanalplatte belastet ist. Die Federbelastung sichert die Dichtigkeit zwischen der Ventilplatte und der Kanalplatte beim Start. Später wird dann die Kraft in Richtung auf die Kanalplatte von dem Öldruck gesichert, der sich in der Maschine aufbaut.
- Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen:
-
1 einen Längsschnitt durch eine hydraulische Maschine, -
2 einen Schnitt II-II nach1 , -
3 eine perspektivische Darstellung eines Zahnrades, -
4 einen Querschnitt IV-IV nach1 in einer Stellung des Zahnrades, -
5 einen vergrößerten Ausschnitt V aus4 , -
6 eine Ansicht entsprechend4 mit einer anderen Stellung des Zahnrades und -
7 einen vergrößerten Ausschnitt VII nach6 . - Eine in
1 dargestellte Maschine ist als Motor l ausgebildet, der eine Ausgangswelle2 aufweist. Die Ausgangswelle2 ist angetrieben durch ein Zahnrad3 , das eine Außenverzahnung4 aufweist und in einem Zahnring5 rotiert und orbitiert, der eine Innenverzahnung6 aufweist, die durch Rollen7 gebildet ist. Die Ausgangswelle2 ist mit dem Zahnrad3 über eine Kardanwelle8 verbunden, die in eine entsprechend passende Verzahnung9 im Innern des Zahnrades3 eingesteckt ist. - Auf der der Kardanwelle
8 abgewandten Seite ist der aus Zahnrad3 und Zahnring5 bestehende Zahnsatz durch eine Deckplatte10 abgedeckt. Auf der gegenüberliegenden Seite ist der Zahnsatz durch eine Kanalplatte11 abgedeckt, die mit einer Ventilplatte12 zusammenwirkt. Die Ventilplatte12 steht in Eingriff mit einer Verlängerung13 der Ausgangswelle2 , so daß sich die Ventilplatte12 synchron mit und in einer vorbestimmten Winkelbeziehung zu dem Zahnrad3 dreht. - Die Kanalplatte
11 und die Ventilplatte12 bilden zusammen eine Ventilanordnung, die die Versorgung von Druckkammern14 , die zwischen Zahnrad und Zahnring5 ausgebildet sind (2 ) mit einer Anschlußanordnung15 steuert, von der lediglich ein Anschluß in1 zu erkennen ist. Die Anschlußanordnung15 weist einen Hochdruckanschluß auf, an dem Hydraulikflüssigkeit unter Druck in den Motor eingeschleust wird, und einen Niederdruckanschluß, durch den Hydraulikflüssigkeit aus dem Motor abfließen kann. - Um die Dichtigkeit zwischen der Ventilplatte
12 und der Kanalplatte11 zu gewährleisten, ist eine Gleichgewichtsplatte16 vorgesehen, die auf der der Kanalplatte11 gegenüberliegenden Seite der Ventilplatte12 angeordnet ist. Die Gleichgewichtsplatte16 wird durch eine Druckfeder17 in Richtung auf die Ventilplatte12 belastet. Dies sichert die entsprechende Dichtigkeit zwischen Kanalplatte11 und Ventilplatte12 beim Start. Später wird dann die erforderliche Kraft auf die Ventilplatte12 durch einen Druck in einem Druckraum18 sichergestellt, in dem sich beim Betrieb des Motors ein entsprechender Öldruck aufbaut. - Die Kardanwelle
8 ist durch eine weitere Verzahnung19 mit der Ausgangswelle2 verbunden. Ein Spiel ist weder bei der Verzahnung9 noch bei der Verzahnung19 vollkommen zu vermeiden. Insbesondere bei großen Belastungen ist es darüber hinaus auch möglich, daß sich die Kardanwelle8 verwindet. Die Summe dieser Erscheinungen trägt nun dazu bei, daß die lagerichtige Versorgung der einzelnen Druckkammern14 zwischen dem Zahnring5 und dem Zahnrad3 nicht mehr so gewährleistet ist, wie dies, an und für sich erforderlich wäre. - Probleme treten vor allem dann auf, wenn das Volumen einer Druckkammer
14 seinen maximalen Wert erreicht hat und die Druckkammer nach dem Durchlaufen dieses maximalen Wertes beginnt, sich zu verkleinern. In diesem Fall ist es erforderlich, daß eine Verbindung zwischen dieser Druckkammer und dem Auslaß- oder Niederdruckanschluß besteht. Ist in diesem Moment die Druckkammer hingegen noch mit dem Hochdruckanschluß verbunden, entstehen Druckstöße, die sich negativ auf das Betriebsverhalten der Maschine auswirken. Dies ist insbesondere bei niedrigen Drehzahlen der Fall. Das gleiche Problem tritt auf, wenn das Volumen der Druckkammer14 einen Minimalwert durchlaufen hat und beginnt, sich zu vergrößern. In diesem Fall ist eine Verbindung dieser Druckkammer mit dem Hochdruckanschluß erforderlich. Wenn diese Druckkammer noch mit dem Niederdruckanschluß verbunden ist, besteht die Gefahr von Kavitationserscheinungen. Probleme treten also immer dann auf, wenn eine Druckkammer einen Extremwert ihres Volumens annimmt. - Um diesen Problemen abzuhelfen, ist das Zahnrad
3 , wie in3 dargestellt, mit Ausnehmungen20 an den Flanken seiner die Außenverzahnung4 bildenden Zähne21 versehen. Die Ausnehmungen20 sind dabei etwa in der axialen Mitte des Zahnrades3 angeordnet. Sie haben eine axiale Erstreckung im Bereich von 15 bis 30% der axialen Länge des Zahnrades3 . Ihre Erstreckung in Umfangsrichtung wird im Zusammenhang mit den4 bis7 erläutert. -
4 zeigt einen Querschnitt IV-IV nach1 .5 ist ein vergrößerter Ausschnitt V nach4 . - In
4 ist eine Situation dargestellt, in der das Zahnrad3 eine Lage gegenüber dem Zahnring5 einnimmt, in der die oberste Drucktasche14 (bezogen auf die Darstellung in der Zeichnung) ihr minimales Volumen aufweist. Da dieser Zustand für jede Drucktasche auftreten wird, reicht die Erläuterung der Verhältnisse an einer Drucktasche14 aus. - Der Zahn
21 des Zahnrades3 , der sich in der Drucktasche befindet, bildet mit den benachbarten Rollen7 des Zahnringes5 annähernd linienförmige Berührungsbereiche22R ,22 L, die im folgenden auch als Berührungslinien bezeichnet werden. In diesen Berührungslinien22 R,22 L liegen der Zahn21 und die Rollen7 aneinander an, so daß die Druckkammer14 hier gegenüber einer Druckkammer14 L auf der linken Seite und einer Druckkammer14R auf der rechten Seite abgedichtet ist. - Würde nun das Zahnrad
3 weitergedreht werden, würde sich die Druckkammer14 vergrößern. Wenn zu diesem Zeitpunkt die Ventilanordnung11 ,12 einer Verbindung zum Hochdruckanschluß noch nicht hergestellt worden ist, könnte bei einer Expansion der Druckkammer14 keine Hydraulikflüssigkeit nachströmen. Es besteht die Gefahr einer Kavitation. - Um dieser Gefahr zu begegnen, sind die beiden Ausnehmungen
20 in Umfangsrichtung des Zahnrades3 so lang, d.h. so weit ausgedehnt, daß sie über die Berührungslinien22 L,22 R hinausreichen. Durch die Ausnehmungen20 wird also eine Verbindung zwischen der Druckkammer14 und der linken Druckkammer14 L einerseits und zwischen der Druckkammer14 und der rechten Druckkammer14 R andererseits gebildet. Die Ausnehmungen20 ragen dabei über eine Strecke X in die benachbarten Druckkammern14 L,14 R hinein. Sie bilden dementsprechend einen "Kurzschluß" zwischen der Druckkammer14 und den benachbarten Druckkammern14 L,14 R. Durch diesen Kurzschluß geht nur wenig Flüssigkeit verloren, weil die Ausnehmung20 an dieser Stelle nicht sehr tief ist. Die Ausnehmung20 bildet also mit dem Zahnrad3 und den Rollen7 der Innenverzahnung6 eine Drossel, deren Drosselwiderstand veränderlich ist. Der Drosselwiderstand ist in dem Moment am größten, in dem die Druckkammer14 beginnt, sich auszudehnen. - Die durch die Ausnehmungen
20 gebildete Verbindung zwischen der Druckkammer14 und den benachbarten Druckkammern14 L,14 R reicht aber aus, um Druckspitzen auszugleichen, die sich bei der beginnenden Expansion der Druckkammer ergeben könnten. Unter Druckspitzen sollen hier auch negative Druckspitzen verstanden werden. - Die Berührungslinie
22 L,22 R zwischen dem Zahn21 und den Rollen7 , die sich bei der in4 dargestellten Position des Zahnrades3 gegenüber dem Zahnring5 ergibt und in der die Druckkammer14 ihr kleinstes Volumen aufweist, bestimmt die Ausdehnung der Ausnehmungen20 zum Zahngrund des Zahnrades3 hin. - Die Ausdehnung der Ausnehmungen
20 zur Spitze des Zahnes21 hin wird anhand der6 und7 erläutert. -
6 zeigt eine Ansicht entsprechend3 , bei der das Zahnrad3 nun eine Position gegenüber dem Zahnring5 eingenommen hat, in der das Volumen der Druckkammer14 am größten ist. Bei einer weiteren Drehung des Zahnrades3 gegenüber dem Zahnring5 muß sich die Druckkammer zwangsläufig verkleinern. Wenn zu diesem Zeitpunkt noch keine Verbindung dieser Druckkammer14 zum Niederdruckanschluß durch die Ventilanordnung11 ,12 erfolgt ist, würden in der Druckkammer14 unzulässige Druckspitzen entstehen, die im günstigen Fall zu einem unruhigen Lauf der Maschine führen, im ungünstigsten Fall aber die Maschine sogar zerstören können. - Um diese Druckspitzen zu beseitigen oder abzuschwächen, sind die Ausnehmungen
20 in Umfangsrichtung des Zahnrades3 nun so lang gestaltet, daß sie um eine Strecke X über die Berührungslinien22 L,22 R der Zähne21 mit den Rollen7 hinausragen. Dadurch wird wiederum ein Kurzschluß zwischen der Druckkammer14 und den benachbarten Druckkammern14 L,14 R gebildet, durch den Hydraulikflüssigkeit aus der Druckkammer14 abfließen kann, wenn diese Druckkammer beginnt, sich zu verkleinern. - Ein derartiger Kurzschluß zwischen einer Druckkammer
14 , in der Hochdruck herrscht, und einer benachbarten Druckkammer14 L,14 R, von denen eine mit dem Niederdruckanschluß verbunden ist, ist zwar normalerweise unerwünscht. Wenn man diesen Kurzschluß jedoch so dimensioniert, daß einerseits Druckspitzen abgebaut werden können, anderseits aber nicht zu viel Flüssigkeit unter hohem Druck verlorengeht, dann ergeben sich die Vorteile eines ruhigen Laufes, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen unter hoher Belastung, ohne daß man eine nennenswerte Verringerung des volumetrischen Wirkungsgrades in Kauf nehmen muß. - Anstelle der Ventilanordnung mit einer Ventilplatte
11 und einer Kanalplatte12 , die plan aneinander anliegen, kann man natürlich auch eine Ventilanordnung verwenden, die mit zwei Drehschiebern realisiert ist, die konzentrisch ineinandergesteckt sind. - Die Herstellung einer Ausnehmung
20 ist relativ einfach. Es reicht aus, ein geeignetes Werkzeug, beispielsweise einen Fräser, in die entsprechenden Zahnflanken der Zähne21 einzutauchen. Dadurch erhält die Ausnehmung20 gleichzeitig einen geraden oder konkav gewölbten Boden23 , der im Zusammenwirken mit der übrigen Zahnform dafür sorgt, daß die Ausnehmung von ihren Rändern her eine immer weiter zunehmende Tiefe und damit einen abnehmenden Drosselwiderstand aufweist.
Claims (10)
- Hydraulische Maschine mit einem Zahnsatz, der einen Zahnring mit einer Innenverzahnung und ein Zahnrad mit einer Außenverzahnung aufweist, das im Zahnring rotiert und orbitiert, wobei sich die Innenverzahnung und die Außenverzahnung in Berührungsbereichen berühren und Druckkammern voneinander trennen, und mit einer Ventilanordnung, die eine Verbindung zwischen einer Anschlußanordnung, die einen Hochdruckanschluß und einen Niederdruckanschluß aufweist, und den Druckkammern steuert, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Berührungsbereich (
22 L,22 R) eine Öffnung (x) vorgesehen ist, die zu einem Zeitpunkt, an dem eine Druckkammer (14 ) einen Extremwert ihres Volumens aufweist, einen Kurzschluß mit der benachbarten Druckkammer (14 L,14 R) erzeugt. - Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (x) als Drosselöffnung ausgebildet ist.
- Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselöffnung (x) einen veränderbaren Drosselwiderstand aufweist, der in dem Zeitpunkt am größten ist, in dem die Druckkammer (
14 ) einen Extremwert ihres Volumens aufweist. - Maschine nach einem Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (x) durch eine Ausnehmung (
20 ) in einer Zahnflanke gebildet ist. - Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (
20 ) in der Außenverzahnung (4 ) ausgebildet ist. - Maschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (
20 ) einen ebenen oder konkav gewölbten Boden (23 ) aufweist. - Maschine nach einem Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (
20 ) in der axialen Mitte der Verzahnung (4 ) angeordnet ist. - Maschine nach einem Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf beiden Seiten eines Zahnes (
21 ) jeweils eine Ausnehmung (20 ) angeordnet ist. - Maschine nach einem Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilanordnung (
11 ,12 ) eine drehbar angetriebene Ventilplatte (11 ) aufweist, die im wesentlichen plan an einer Kanalplatte (12 ) anliegt. - Maschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilplatte durch eine federbelastete Gleichgewichtsplatte (
16 ) in Richtung auf die Kanalplatte (16 ) belastet ist.
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