DE10244262A1 - Mehrhubige hydrostatische Verdrängermaschine mit stufenlos verstellbarem Verdrängungsvolumen - Google Patents
Mehrhubige hydrostatische Verdrängermaschine mit stufenlos verstellbarem Verdrängungsvolumen Download PDFInfo
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft eine hydrostatische Verdrängermaschine, die eine Triebwelle und mindestens einen Verdrängerkörper aufweist, wobei von dem Verdrängerkörper während einer vollen Umdrehung der Triebwelle mehrere verdrängungswirksame Bewegungen ausführbar sind.
- Hierbei treten die verdrängungswirksamen Bewegungen in der Regel als Hubbewegungen in Erscheinung. Gattungsgemäße mehrhubige Verdrängermaschinen haben gegenüber einhubigen Verdrängermaschinen den Vorteil, dass der erforderliche Bauraum drastisch verringert ist. Die genannten Verdrängermaschinen können beispielsweise als Radialkolbenmaschinen ausgeführt werden, wobei dann in der Regel mehrere kolbenförmige Verdrängerkörper über jeweils eine Rolle auf einer z. B. außenliegenden Nockenbahn abgestützt sind. Dieser Maschinentyp benötigt insgesamt nur wenige Bauteile.
- Bei den meisten mehrhubigen Radialkolbenmaschinen ist das Verdrängungsvolumen nicht verstellbar. Beim Einsatz einer solchen Maschine als Motor kann eine Drehzahlveränderung nur durch Veränderung des zugeführten Volumenstroms erzielt werden. Dies führt zu großen Volumenströmen, hohen Verlusten und in Folge der groß dimensionierten Zufuhrleitungen zu einem großen Platzbedarf.
- Es ist ferner bekannt, das Verdrängungsvolumen von Radialkolbenmaschinen durch Abschalten bzw. Hinzuschalten von Verdrängerräumen in Stufen zu verändern. Hierbei handelt es sich jedoch nicht um ein klassisches Verstellen des Verdrängungsvolumens, wie es beispielsweise bei Axialkolbenmaschinen in Schrägscheibenbauweise durch gezieltes Verschwenken der Schrägscheibe erfolgt. Vielmehr wird bei den Radialkolbenmaschinen beim Schalten das Verdrängungsvolumen sprunghaft geändert, so dass ein mit solchen Maschinen ausgerüsteter Antrieb nicht ruckfrei ist.
- Die
DE 198 49 334 A1 offenbart eine Verdrängermaschine, die aus einem Radialkolbentriebwerk und einem dazu parallel geschalteten, verstellbaren Axialkolbentriebwerk besteht, wobei die Rotoren der beiden Triebwerkwerke koaxial zueinander angeordnet und drehsynchron miteinander verbunden sind. Dadurch wird eine „innere Leistungsverzweigung" erzielt, mit der eine stufenlose Drehzahländerung möglich wird. Nachteilig ist jedoch der komplizierte Aufbau dieser Verdrängermaschine. - Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine mehrhubige Verdrängermaschine der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, deren Verdrängungsvolumen stufenlos verstellbar ist und die einen einfachen Aufbau aufweist.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Verdrängermaschine zwei Nockenbahnen aufweist, denen jeweils eine periodische Funktion gleicher Periodenlänge eingeprägt ist und die gegeneinander phasenverschiebbar sind, wobei der Verdrängerkörper derart mit den beiden Nockenbahnen in Wirkverbindung steht, dass die Größe der verdrängungswirksamen Bewegungne des Verdrängerkörpers durch den Phasenversatz der Nockenbahnen steuerbar ist.
- Der erfindungswesentliche Gedanke besteht demnach darin, den Verdrängerkörper nicht mit einer sondern mit zwei Nockenbahnen in Eingriff zu bringen, wodurch die im Hinblick auf die Verdrängung wirksamen Bewegungen des Verdrängerkörpers aus zwei Bewegungsanteilen zusammengesetzt wird. Je nach Phasenüberlappung oder Phasenverschiebung bewirkt die Überlagerung der beiden Bewegungsanteile eine bestimmte Gesamtbewegung des Verdrängerkörpers zwischen einem Minimal- und einem Maximalwert, entsprechend einer Minimal- und einer Maximalverdrängung.
- Im Ergebnis ist das Verdrängungsvolumen der erfindungsgemäßen mehrhubigen Verdrängermaschine stufenlos verstellbar, wobei gleichzeitig ein einfacher Aufbau erzielbar ist.
- Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Verdrängerkörper mit einem Abgriffselement gelenkig gekoppelt, das zwei Ausleger aufweist, von denen jeweils ein Ausleger auf einer der Nockenbahnen abgestützt ist.
- Zweckmäßigerweise sind die Abstützpunkte der beiden Ausleger in Richtung der Abwicklung der Nockenbahnen um eine halbe Periodenlänge oder zumindest annähernd eine halbe Periodenlänge zueinander beabstandet.
- Sofern die beiden Nockenbahnen um eine halbe Periodenlänge gegeneinander phasenverschiebbar sind, kann das Verdrängungsvolumen bis auf Null reduziert werden.
- Auch Anwendungsfälle, bei denen die beiden Nockenbahnen um weniger als eine halbe Periodenlänge gegeneinander phasenverschiebbar sind, können sinnvoll sein. In diesem Fall ist die erfindungsgemäße hydrostatische Verdrängermaschine jedoch nicht auf „Null" einstellbar.
- In einer weiteren günstigen Ausgestaltung der Erfindung sind die beiden Nockenbahnen um eine halbe Periodenlänge gegeneinander in wechselnder Verstellrichtung phasenverschiebbar. Dadurch lässt sich bei der erfindungsgemäßen hydrostatischen Verdrängermaschine bei gleichbleibender Fließrichtung des Druckmittels eine Drehrichtungsumkehr erzielen.
- Die den beiden Nockenbahnen eingeprägte periodische Funktion ist bevorzugt als Sinusfunktion oder abgewandelte Sinusfunktion ausgebildet.
- Gemäß einer im Hinblick auf einen einfachen Aufbau besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verdrängermaschine als Radialkolbenmaschine ausgebildet ist, insbesondere als Radialkolbenmaschine mit Außenabstützung und einer Mehrzahl von Verdrängerkörpern.
- Hierbei ist es günstig, wenn die Radialkolbenmaschine zwei in Axialrichtung voneineinander beabstandete Hubringe aufweist, an deren radial inneren Umfangsfläche jeweils eine Nockenbahn angeformt ist, wobei axial zwischen den Hubringen die Verdrängerkörper angeordnet sind.
- Eine erfindungsgemäße Ausgestaltung sieht vor, dass das Abgriffselement einen axial zwischen den Nockenbahnen angeordneten, zylindrischen Zentralabschnitt aufweist, der in einer Bohrung des Verdrängerkörpers verdrehbar angeordnet ist und an den beiderseits jeweils ein zur Umfangsrichtung der zugeordneten Nockenbahn ausgerichteter Ausleger anschließt, der mittels einer Rolle auf der Nockenbahn abgestützt ist.
- Die Phasenverschiebung der beiden Nockenbahnen lässt sich auf einfache Weise dadurch erzielen, dass die Hubringe mit ihrer Außenumfangsfläche jeweils verdrehbar in einem Maschinengehäuse gelagert sind.
- Es erweist sich als besonders vorteilhaft, die erfindungsgemäße hydrostatische Verdrängermaschine als Direktantrieb zu verwenden, insbesondere als Radantrieb. Die Verluste durch Planschen der Antriebsteile, die mit der Drehzahl stark ansteigen, sind dabei minimal, da die hydrostatische Verdrängermaschine quasi als „Langsamläufer" eingesetzt wird. Darüber hinaus ist die Anzahl der Bauteile gering, was die Herstellkosten gering hält und die Betriebssicherheit erhöht.
- Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in den schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt
-
1 eine Abwicklung der periodischen Funktion, die den Nockenbahnen eingeprägt ist, wobei die Nockenbahnen zueinander phasenverschoben sind -
2 eine Abwicklung gemäß1 mit Phasenverschiebung Null, -
3 eine Abwicklung gemäß1 mit einer Phasenverschiebung entsprechend der halben Periodenlänge, -
4a eine Abwicklung gemäß1 mit einer Phasenverschiebung in Zwischenstellung, -
4b eine Abwicklung gemäß1 mit einer Phasenverschiebung in einer anderen Zwischenstellung -
5 einen Schnitt durch eine Anordnung, die aus den beiden Nockenbahnen und einem Verdrängerkörper besteht, gemäß Schnittlinie A-A in7 , -
6 eine Draufsicht auf die Anordnung nach5 gemäß Pfeil Z, -
7 eine schematische Darstellung der Huberzeugung in Vmax-Stellung der Nockenbahnen -
8 eine schematische Darstellung der Huberzeugung in einer Position der Nockenbahnen zwischen Vmax und Vmin, -
9 eine schematische Darstellung der Huberzeugung in Vmin-Stellung der Nockenbahnen -
10 einen Querschnitt durch eine ausgeführte mehrhubige Radialkolbenmaschine in Vmax-Stellung der Nockenbahnen und -
11 einen Längsschnitt durch die Radialkolbenmaschine gemäß10 . -
1 zeigt die Abwicklung zweier noch zu beschreibender Nockenbahnen, denen jeweils eine periodische Funktion (Sinusfunktion oder abgewandelte Sinusfunktion) eingeprägt ist. Hierbei ist auf der Abszisse der Phasenwinkel φ aufgetragen und auf der Ordinate die Bewegung (Hub) des/der Verdrängerkörper(s) der erfindungsgemäßen hydrostatischen Verdrängermaschine. Die beiden Kurven1 und2 sind gleich und haben die Periodenlänge T. Sie sind gegeneinander um einen Betrag Δφ phasenverschoben. - Der noch zu beschreibende Verdrängerkörper ist durch ein Abgriffselement auf beiden Nockenbahnen abgestützt, das in den
1 bis4b durch einen Geradenabschnitt AB symbolisiert ist. Die Länge des Geradenabschnitts AB entspricht zumindest näherungsweise der halben Periodenlänge T/2. Der Endpunkt A des Geradenabschnitts AB liegt auf der Kurve1 und der Endpunkt B auf der Kurve2 . Der Punkt M auf dem Geradenabschnitt AB, an dem das Abgrifsselement mit dem Verdrängerkörper gelenkig gekoppelt ist, weist zu den Punkten A und B bevorzugt den gleichen Abstand auf. Es ist jedoch auch eine Anorndung möglich, bei der der Abstand des Punktes M zu den Punkten A und B nicht gleich ist: In Verbindung mit verschiedenen Ausschlägen h1 und h2 der (verschiedenenen) Nockenbahnen kann der Abstand unterschiedlich sein. Ferner gilt dies für gleiche Nockenbahnen mit einer eingeschränkten Verstellbarkeit. - In
2 sind die beiden Kurven1 ,2 in φ-Richtung zusammengeschoben. Die Phasenverschiebung ist dabei gleich Null. Es zeigt sich, dass beim Verschieben des Geradenabschnitt AB in φ-Richtung auf den Kurven1 ,2 dieses nur eine pendelnde Bewegung ausführt und sich der Punkt M nicht oder nahezu nicht in h-Richtung verschiebt (h3=0). - Schiebt man jetzt gemäß
3 die beiden Kurven1 ,2 soweit auseinander, bis die Phasenverschiebung der halben Periodenlänge T/2 entspricht, zeigt sich, dass beim Verschieben des Geradenabschnitts AB in φ-Richtung der Punkt M eine periodische Funktion (gestrichelt) mit dem maximalen Ausschlag h3 in h-Richtung abbildet (h3 = max), entsprechend einer Hubkurve3 des Verdrängerkörpers. -
4a zeigt eine Zwischenstellung für die Phasenverschiebung zwischen Null und der halben Periodenlänge T/2. Die Hubkurve3 des Punktes M stellt eine Funktion dar, deren Ausschlag h3 zwischen dem maximalen (2 ) und dem minimalen Ausschlag (3 ) liegt. -
4b zeigt eine Zwischenstellung, bei der im Vergleich zu4a die beiden Kurven1 ,2 um den gleichen Betrag in Gegenrichtung zueinander verschoben sind (–Δφ). Es entsteht eine um T/2 verschobene Hubkurve3 . Dadurch lassen sich erfindungsgemäße hydrostatische Verdrängermaschinen bauen, die bei gleichbleibender Fließrichtung des Ölstroms die Drehrichtung der Triebwelle ändern können. - Die nachfolgenden
5 bis11 zeigen schematisch das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Verdrängermaschine. - In
5 ist ein Schnitt durch eine Anordnung dargestellt, bestehend aus zwei zueinander parallel benachbarten Nockenbahnen4 ,5 denen eine Funktion eingeprägt ist, wie sie in den1 bis4b gezeigt ist. Über ein Abgriffselement6 steht ein kolbenförmiger Verdrängerkörper7 mit den Nockenbahnen4 ,5 in Wirkverbindung. Der Verdrängerkörper7 ist in einem hohlzylindrischen Verdrängerraum8 längsbeweglich Die Art der Wirkverbindung zwischen dem Verdrängerkörper7 bzw. dem Abgriffselement6 und den Nockenbahnen4 ,5 ergibt sich aus der Zusammenschau mit6 . Das Abgriffselement6 weist zwei Ausleger6a ,6b auf. Der Ausleger6a ist über eine Rolle9a gegen die Nockenbahn4 abgestützt. Der Ausleger6b ist über eine Rolle9b auf der Nockenbahn5 abgestützt. Die beiden Ausleger6a und6b erstrecken sich in Abwicklungsrichtung der Nockenbahnen4 und5 (siehe5 ). Der Abstand zwischen den Abstützpunkten der Ausleger6a ,6b auf den Nockenbahnen4 ,5 (entsprechend dem Abstand zwischen den Mittelachsen der Rollen9a ,9b ) beträgt eine halbe Periodenlänge T/2. - In der Darstellung gemäß
7 , die den Bewegungsablauf der Verdrängerkörper7 zeigt, sind die beiden Nockenbahnen4 und5 um eine halbe Periodenlänge T/2 gegeneinander verschoben. Führt man jetzt den Verdrängerkörper7 mit dem Abgriffselement6 über die beiden Nockenbahnen4 und5 (oder umgekehrt, die Nockenbahnen4 und5 am Verdrängerkörper7 und dem Abgriffselement6 entlang), so entsteht die Hubkurve3 mit dem maximalen möglichen Ausschlag h (Hub). Diese Stellung der Nockenbahnen4 ,5 relativ zueinander entspricht also der Vmax-Stellung der erfindungsgemäßen Verdrängermaschine, in der das größtmögliche Verdrängungsvolumen eingestellt ist. - In
8 sind die Nockenbahnen4 ,5 gegenüber7 etwas zueinander verschoben. Führt man jetzt den Verdrängerkörper7 mit dem Abgriffselement6 über die Nockenbahnen4 ,5 , so entsteht eine Pendelbewegung des Abgriffselements6 . Dabei verringert sich der Ausschlag der Hubkurve3 . Die Nulldurchgänge der Hubkurve3 sind im Vergleich zur Vmax-Einstellung der Nockenbahnen4 ,5 (7 ) nicht verschoben, so dass die Ansteuerung der Verdrängerräume8 zur Flüssigkeits-Befüllung bzw. -Entnahme nicht verändert werden muss. - Schiebt man die Nockenbahnen
4 ,5 soweit zusammen, dass sie in eine gleichphasige Lage kommen, so verstärkt sich die Pendelbewegung des Abgriffselements6 und der Ausschlag der Hubkurve3 wird zu Null. Dies entspricht der in9 dargestellten Vmin-Stellung der erfindungsgemäßen Verdrängermaschine, also der Einstellung mit geringstmöglichem Verdrängungsvolumen. - In den
10 und11 ist eine als Radialkolbenmaschine mit Außenabstützung ausgeführte Verdrängermaschine gemäß der Erfindung dargestellt (Selbstverständlich ist es grundsätzlich auch möglich, die Erfindung in anderen Maschinentypen anzuwenden). Die in den bereits beschriebenen Figuren gezeigten Bauteile, die sich in der vor liegenden Maschine wiederlinden, sind mit identischen Bezugszeichen benannt. Bei einer Radialkolbenmaschine sind die periodischen Funktionen auf einem Kreis aufgetragen. - In einem Maschinengehäuse
10 sind axial zueinander benachbart zwei Hubringe11 ,12 jeweils mit einer Außenumfangsfläche11a bzw.12a im Maschinengehäuse10 verdrehbar gelagert. An der radial inneren Umfangsfläche der Hubringe11 ,12 sind die bereits beschriebenen Nockenbahnen4 ,5 angeformt. - Axial zwischen den Hubringen
11 ,12 befindet sich ein Rotor13 (Zylindertrommel), in dem eine Mehrzahl von radialen Verdrängerräumen8 angeordnet ist, in denen jeweils ein kolbenförmiger Verdrängerkörper7 beweglich ist. Der Rotor13 ist mit einer Triebwelle14 drehsynchron gekoppelt. Die Flüssigkeitsversorgung der Verdrängerräume8 erfolgt über mindestens eine axiale Steuerscheibe15 . - Jedes Abgriffselement
6 weist einen axial zwischen den Nockenbahnen4 ,5 angeordneten, zylindrischen Zentralabschnitt6c auf. Dieser ist in einer Bohrung7a des Verdrängerkörpers7 verdrehbar angeordnet. Beiderseits des Zentralabschnitts6c schließen die bereits beschriebenen Ausleger6a ,6b an, die in Umfangsrichtung der Nockenbahnen4 ,5 ausgerichtet und demnach rechtwinklig zum Zentralabschnitt6c sind. Die Ausleger6a ,6b stützen sich über die Rollen9a ,9b auf den Nockenbahnen4 ,5 ab. Hierbei sind die zylindrischen Rollen9a ,9b in endseitige Taschen der Ausleger6a ,6b drehbar eingelegt. - Um die beiden Hubringe
11 ,12 gegeneinander verdrehen zu können, ist an jedem Hubring11 ,12 ein Radialzapfen11b bzw.12b angeformt, der sich in einer taschenförmigen Ausnehmung des Maschinengehäuses10 befindet. Die an diesen Radialzapfen11b ,12b angreifende Verstelleinrichtung ist in den Figuren nicht dargestellt. - Durch Verdrehen der beiden Hubringe
11 ,12 wird das Verdrängungsvolumen der erfindungsgemäßen Verdrängermaschine stufenlos zwischen Null und einem Maximalwert verstellt. Die Maschine ist für den Einsatz als Direktantrieb (z. B. langsam laufender Radmotor mit großem Wandelbereich) aufgrund der kompakten Bauweise und der geringen Planschverluste ideal geeignet.
Claims (12)
- Hydrostatische Verdrängermaschine, die eine Triebwelle und mindestens einen Verdrängerkörper aufweist, wobei von dem Verdrängerkörper während einer vollen Umdrehung der Triebwelle mehrere verdrängungswirksame Bewegungen ausführbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Nockenbahnen (
4 ,5 ) vorgesehen sind, denen jeweils eine periodische Funktion gleicher Periodenlänge (T) eingeprägt ist und die gegeneinander phasenverschiebbar sind, wobei der Verdrängerkörper (7 ) derart mit den beiden Nockenbahnen (4 ,5 ) in Wirkverbindung steht, dass die Größe der verdrängungswirksamen Bewegungen des Verdrängerkörpers (7 ) durch den Phasenversatz der Nockenbahnen (4 ,5 ) steuerbar ist. - Hydrostatische Verdrängermaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängerkörper (
7 ) mit einem Abgriffselement (6 ) gelenkig gekoppelt ist, das zwei Ausleger (6a ,6b ) aufweist, von denen jeweils ein Ausleger (6a ;6b ) auf einer der Nockenbahnen (4 ;5 ) abgestützt ist. - Hydrostatische Verdrängermaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützpunkte der beiden Ausleger (
6a ,6b ) in Richtung der Abwicklung der Nockenbahnen (4 ,5 ) um eine halbe Periodenlänge (T/2) oder zumindest annähernd eine halbe Periodenlänge (T/2) zueinander beabstandet sind. - Hydrostatische Verdrängermaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Nockenbahnen (
4 ,5 ) um eine halbe Periodenlänge (T/2) gegeneinander phasenverschiebbar sind. - Hydrostatische Verdrängermaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Nockenbahnen (
4 ,5 ) um weniger als eine halbe Periodenlänge (T/2) gegeneinander phasenverschiebbar sind. - Hydrostatische Verdrängermaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Nockenbahnen (
4 ,5 ) um eine halbe Periodenlänge (T/2) gegeneinander in wechselnder Verstellrichtung phasenverschiebbar sind. - Hydrostatische Verdrängermaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die periodische Funktion als Sinusfunktion oder abgewandelte Sinusfunktion ausgebildet ist.
- Hydrostatische Verdrängermaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrängermaschine als Radialkolbenmaschine ausgebildet ist, insbesondere als Radialkolbenmaschine mit Außenabstützung und einer Mehrzahl von Verdrängerkörpern (
7 ). - Hydrostatische Verdrängermaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialkolbenmaschine zwei in Axialrichtung voneineinander beabstandete Hubringe (
11 ;12 ) aufweist, an deren radial inneren Umfangsfläche jeweils eine Nockenbahn (4 ,5 ) angeformt ist, wobei axial zwischen den Hubringen (11 ,12 ) die Verdrängerkörper (7 ) angeordnet sind. - Hydrostatische Verdrängermaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgriffselement (
6 ) einen axial zwischen den Nockenbahnen (4 ,5 ) angeordneten, zylindrischen Zentralabschnitt (6c ) aufweist, der in einer Bohrung (7a ) des Verdrängerkörpers (7 ) verdrehbar angeordnet ist und an den beiderseits jeweils ein zur Umfangsrichtung der zugeordneten Nockenbahn (4 ;5 ) ausgerichteter Ausleger (6a ;6b ) anschließt, der mittels einer Rolle (9a ;9b ) auf der Nockenbahn (4 ;5 ) abgestützt ist. - Hydrostatische Verdrängermaschine nach Anpruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubringe (
11 ;12 ) mit ihrer Außenumfangsfläche (11a ;12a ) jeweils verdrehbar in einem Maschinengehäuse (10 ) gelagert sind. - Hydrostatische Verdrängermaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch die Verwendung als Direktantrieb, insbesondere als Radantrieb.
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