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Hydraulische Axialkolbenmaschine Die Erfindung betrifft eine hydraulische
Axialkolbenmaschine für eine oder wechselnde Flußrichtung und mit mehreren in einem
Zylinderkörper parallel zur Mittelachse der Axialkolbenmaschine angeordneten Kolben,
welche zur Erzielung der axialen Bewegung mittels Gleitkörpern an einer Leitfläche
anliegen oder an dieser gehalten werdenund die Gleitfähigkeit der Gleitkörper mittels
hydrostatischer Lager gewährleistet ist.
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In einer verhältnismäßig hohen Anzahl hydraulischer Axialkolbenmaschinen
wird die Kolbenbewegung dadurch erzielt, daß die Kolben mit einem Ende an einer
die axiale Bewegung gewährleistenden Fläche anliegen bzw. an dieser glelten. Die
Mittelbarkeit der Anlage wird mit Elementen erreicht, welche im Besonderen die Aufgabe
haben, bei der sich aus der Jeweiligen Stellung der Schiefscheibe ergebenden Winkelabweichung
eine günstige abstützende Funktion zu garantieren, so wie ein möglichst reibungsarmes
Gleiten der genannten Fläche zu sichern.
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In der Regel wird die Gleitfunktion von Gleitkörpern übernommen, welche
in überwiegender Anzahl als Gleitschuhe ausgebildet sind, die einerseits formschlüssig
an der Gleitfläche anliegen und andererseits mittels eines Kugelgelenkes mit dem
Kolben verbunden sind. Da bei Äxialkolbenmaschinen bei der Kolbenbewegung durch
eine Schiefscheibe, in allen Punkten die Kolben eine veränderliche Neigung zur Mittelachse
oder Sohiefsoheibe einnehmen, hat das Kugelgelenk die Aufgabe, die Beweglichkeit
zwischen den an der Schiefscheibe anliegenden Gleitschuh und den Kolben zu gewthrleisten,
Infolge des hohen Druckes, welcher auf den Kolben im Arbeitsvorgang wirkt, werden
das Kugelgelenk und der Gleitschuh hohen Anpreßkräften ausgesetzt, welche zu einer
sehr hohen Reibung führen und einen schnellen Verschleiß zur Folge haben.
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Zur Vermeidung dieses Nachteiles sind in vielfach bekannter Weise,
sowohl innerhalb des Kugelgelenkes als auch an der Gleitfläche des Gleitschuhes,
Druckräume angeordnet, welche mit einem bydrauliZchen Druck beaufschlagt werden
und damit eine hydrostatitohe Entlastung bewirken.
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Da die Größe der Anpreßkräfte sich in einem bestimmten Verhalt nis
zu dem auf den Kolben wirkenden hydraulischen Druck bewegt, ist es notwendig die
Entlastungskräfte im angenäherten Verhältnis zu variieren und das unter dem hydraulischen
Druck befindliche Medium den Druckfeldern zuzuführen.
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Die Zuführung des Druckmediums zu den genannten Druckfeldern erfolgt
in der Regel dadurch, daß die Kolben eine Flüssigkeitsverbindung z.3. eine Bohrung
aufweisen, welche die wirksame Kolben fläche mit wenigstens einem Druckfeld verbindet.
Daraus folgt, daß die Druckfeldbildung nur dann erfolgen kann, wenn z.B. bei einer
Pumpe sich der Kolben im Arbeitsbereich befindet, d.h. der Kolben mit einem unter
Druck befindlichen Medium beaufschlagt ist.
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Nach Überschreitung des Totpunktes im Bewegungsverlauf des Kolbens,
d.h. nach erfolgter Bewegungsumkehr des Kolbens übt dieser eine saugende Funktion
aus. Damit erfolgt nicht nur ein Druckabbau in den Entlastungsdruckfeldern, sondern
das Medium wird aus diesen zumindest teilweise abgesaugt. Die Folge davon ist, daß
in der Regel die in Öl gelöste Luft frei wird, welche im Funktionsverlauf erhebliche
Geräusche verursacht. Ein weiterer wesentlicher Nachteil besteht darin, daß, nachdem
der jeweilige Kolben den Totpunkt überschritten hat, der Druckfeldaufbau dem Anwachsen
der Anpreßkräfte nur sehr verzögert folgt und damit eine unerwünschte Reibung und
eine Erhöhung der Geräusche eintritt Es ist naheliegend und bekannt, die Kolben
mit Ventilen oder ähnlichen Elementen auszustatten, um ein Absaugen des Druck mittels
aus den Entlastungsfeldern zu verhindern. Eine solche Lösung führt jedoch nicht
ZU dem gewünschten Erfolg, Bei Verwendung eines federbelasteten Ventiles wird dieses
erst dann geöffnet, wenn die erforderliche Druckdifferenz vorhanden ist, was zu
einer wesentlichen Verzögerung des Druckfeldaufbaues führt und bei niederen Förderdruck
die Ventile geschlossen bleiben und damit kein Druckmittel zur Entlastung und der
Schmierung zu den Entlastungsdruckfeldern gelangt.
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Federunbelastete Ventile haben in diesem Anwendungsfall dagegen den
Nachteil, daß der Schließvorgang erst mit dem Rückfluß erfolgt und damit ein Absaugen
aus den Entlastungsfeldern bereits eingetreten ist.
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Ein wesentlicher Nachteil durch das Absaugen des Druckmittels aus
den Entlastungsfeldern und das unmittelbar darauf folgende Entstehen von Lufteinschlüssen
beateht noch darin, daß eine Verwendung von massearmen Hohlkolben nur mit hohem
Aufwand möglich ist. Mit dem Eindringen der Luft in den Hohlraum des Kolbens wird
ein dem Wirkungsgrad ungünstig beeinflussender Lufteinschluß geschaffen, der außerdem
zu einer erhöhten Geräuschbildung beiträgt.
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Unabhängig von dem Prinzip der Beaufschlagung der Entlastungsdruckfelder
mit hydraulischem Druck ißt es bekannt, in den Steuerspiegel weitere nierenförmige
Öffnungen einzuarbeiten, welche über Bohrungen mit dem Zylinderkörper mit in den
Zylinderbohrungen oder Kolben eingearbeiteten Ringnuten in Verbindung stehen, Diese
bekannte Lösung hat dig Aufgabe, die Schmierung zu verbessern oder bei Verwendung
von Doppelkolben der Abführung des zweiten Förderstromes zu dienen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs beschriebenen
und bekannten Axialkolbenmaschinen so zu verbessern, daß die genannten Nachteile
vermieden werden und ein Lösungsweg gefunden wird, welcher mit relativ geringem
Aufwand, sowohl bei Axialkolbenmaschoinen mit einer aa als auch mit wechselnder
Flußriohr tung, ein Absaugen des Druckmittels aus den Druckmittelentlastungefeldern
am Gleitschuh vermeidet und die Verwendung massearmer Kolben gewährleistet.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in einer
hydraulischen Axialkolbenmaschine für eine oder wechselnde Flußrichtung mit mehreren
in einem Zylinderkörper parallel zur Mittelachse der Axialkolbenmaschine angeordneten
Kolben, welche zur Erzielung der axialen Bewegung mittels Gleitkörpern an einer
Leitfläche anliegen oder an dieser gehalten werden und die Gleitfähigkeit der Gleitkörper
mittels hydrostatischer Lager gewährleistet ist, die hydrostatischen Lager der Gleitschuhe
durch in den Kolben befindliche Bohrungen und Querbohrungen, im stetig Uberdeckten
Bereich zwischen den Kolben und den Zylinderbohrungen durch in die Wand der Zylinderbohrung
bzw. der Gleitfläche des Kolbens eingearbeitete Aussparungen, Nuten oder Abflachungen,
durch im Zylinderkörper eingearbeitete Bohrungen mit einer im Steuerspiegel eingearbeiteten
vorzugsweise innerhalb angeordneten Nut in Verbindung stehen, welche im Arbeitsbereich
der Pumpe
befindlich, mit einer, das unter Druck stehende Medium
führenden Öffnung verbunden ist, und die Nut im unmittelbaren Totpunktbereich endet,
sowie durch die Flüssigkeitsverbindung mit der Steueröffnung, beide mit dem unter
Druck stehendem Medium beaufschlagt bzw. als eine einheitliche Nut ausgebildet ist.
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Die Lösung der Aufgabe sieht weiterhin vor, daß für Pumpen mit wechselnder
Flußrichtung zwischen jeder Nut und der zugehörigen, das Druckmittel führenden Öffnung,
je ein Rückschlagventil angeordnet ist, die in Richtung der Nuten öffnen und weiterhin
zwischen den Nuten eine Kerbe eingearbeitet ist.
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Nachfolgend ist der Erfindungsgegenstand an einem Ausfhhrungs beispiel
näher erläuterte In den Zeichnungen zeigen: Fig, 1: einen Längsschnitt durch eine
Axialkolbenpumpe mit in den Zylinderbohrungen eingearbeiteten Aussparungen, Fig.
2: einen Längsschnitt durch eine Axialkolbenpumpe mit in den Kolben eingearbeiteten
Aussparungen, Fig, 3: eine Ansicht des Steuerspiegels nach Schnitt I-I der Fig.1,
Fig, 4s eine Ansicht des Steuerspiegeis nach Schnitt I-I der Fig, 1 mit einheitlicher
Nut, Fig. 5t eine Ansicht des Steuerspiegeis nach Schnitt I-I der Fig.1 der Pumpe
mit wechselnder Flußrichtungs Fig. 6s den Schnitt II-II nach Fig. 5, Fig, 7: einen
Teilschnitt durch eine Axialkolbenpumpe mit Darstellung der Flüssigkeitsverbindung,
Fig, 8s einen Teilschnitt durch eine Axialkolbenpumpe mit Darstellung der Flüssigkeitsverbindung
und Verwendung eines Hohlkolbens.
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Eine Axialkolbenpumpe bekannter Ausführung ist mit einem rotierenden
Zylinderkörper 1 ausgestattet, in den Zylinderbohrungen 2 eingearbeitet sind, welche
der-Aufnahme axial beweglicher Kolben 3 dienen. Die äußeren Enden der Kolben 3 sind
inder vorliegenden Ausführung als Kugel 4 ausgebildet, welche von an Gleitschuhen
5 angearbeiteten Kalotten 6 beweglich gehalten werden. Die Gleitschuhe 5 sind an
der an einer Schiefscheibe 7 anliegenden Seite mit Druckentlastungsfeldern 8 versehen.
An den Gleitflächen zwischen Kugel 4 und Kalotte 6 befindnen sich Druckentlastungsfelder
9, welche in der Gleitfläche der-Kugel 4 oder der Kalotte 6 bzwO in beiden eingearbeitet
sind. Die Druckentlastungsfelder 9 sind mittels in die Gleitschuhe 5 eingearbeiteten
Bohrungen 10 mit den
Druckentlastungsfeldern 8 sowie andererseits
mit in den Kolben 3 eingearbeitete Bohrungen 11 verbunden. Im stetig überdeckten
Gleitbereich zwischen Kolben 3 und der Zylinderbohrung 2 befindet sich eine Aussparung
12, welche in der Ausführung nach Fig. 1 in der Zylinderbohrung 2 und nach Fig.
2 in den Kolben 3 eingearbeitet ist und in jeder Funktionsstellung des Kolbens 3
über eine in den Kolben 3 eingearbeitete Querbohrung 13 mit der Bohrung 1,1 sowie
weiterhin mit einer im Zylinderkörper 1 befindlichen Bohrung 14 Verbindung hat.
Die Bohrung 14 mündet an der Steuerfläche des Zylinderkörpers 1, an welcher in bekannter
Weise ein Steuerkörper 15 mit seinem Steuerspiegel 16 anliegt. In dem Steuerkörper
15 sind im Bereich der Austrittsöffnungen der' Zylinderbohrungen 2 in bekannter
Weise nierenförmige Steueröffnungen 17, 18 eingearbeitet, in welche dem Druokmittelein-
oder -austritt dienende Öffnungen 19; 20 münden. Im Mündungsbereich der Bohrungen
14 ist, wie in Fig. 3 dargestellt, im Druckbereich der Pumpe eine an sich bekannte
nierenförmige Nut 21 in den Steuerkörper 15 eingearbeitet, welche mit der druckseitigen
Steueröffnung 18 Flüssigkeitsverbindung aufweist.
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Die Wirkungsweise der beschriebenen Ausführung ist wie folgt: Durch
die Flüssigkeitsverbindung zwischen der druokbeaufschlagten Steueröffnung 18 mit
der Nut 21, ist diese stets mit Druckmittel beaufschlagt. Für alle jeweils im Bereich
der Nut 21 befindlichen Bohrungen 14, gelangt das Druckmittel weiter über die Querbohrungen
13 die Aussparungen 12 und die Bohrungen 11; 10, zu den Aussparungen 9 undden Druckentlastungsfeldern
8; 9 und baut hier die gegen die Anpreßkräfte wirkenden hydraulischen DruckSelder
auf.
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Mit dem Austritt der jeweiligen Bohrung 14 aus den Wirkungsbereich
der.Nut 21, welcher der Totpunktüberschreitung des jeweiligen Kolbens 3 entspricht,
wird diese verschlossen und damit ein Absaugen des Druckmittels aus den Druckmittelentlastungsfeldern
8; 9 während des Saügvorganges der Kolben 3 verhindert. Mit dem Wiedereintritt der
jeweiligen Bohrung 14 in den Bereich der Nut 21 erfolgt wiederholt der Aufbau der
hydraulischen Druckfelder in der beschriebenen Weise.
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Die gleiche Wirkung wird mit einer in Fig, 4 dargestellten Ausführung
des Steuerkörpers 15 erreicht, bei weloher die Steuerd.ffnung 18 und die Nut 21
eine einheitliche Steueröffnung 22 darstellen.
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Zur Erreichung eines optimalen Wirkungsgrades ist dabei der im Bereich
der Bohrungen 14 liegende Teil der Steueröffnung beispielsweise bis an den unmittelbaren
Totpunktbereich herangezogen, um in der bereits beschriebenen Weise einen rechtzeitigen
I>ruckfeldaufbau zu gewährleisten.
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Während die beschriebene Ausführung für Axialkolbenpumpen mit einer
Flußrichtung bestimmt ist, erfordert eine Axialkolbenpumpe mit wechselnder Flußrichtung
die Anordnung einer weiteren Nut 23, welche vorzugsweise symmetrisch zur Nut 21
in den Steuerkörper 15 eingearbeitet ist und mit der Steueröffnung 17 eine Flüssigkeitsverbindung
aufweist. Die wechselnde Flußrichtung, welche durch einen Wechsel der Drehrichtung
oder durch den über~Null Schwenken der Schiefscheibe 7 erreicht wird, erfordert,
daß in der Verbindung der Steueröffnung 18 und der Nut 21 Steuerelemente9 vorzugsweise
leicht federbelastete Rückschlagventile 24 bzw. 25 angeordnet sind, welche in Richtung
der Nut 23 bzw. der Nut 21 öffnen.
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Die Wirkungsweise der Ausführung für Axialkolbenpumpen mit wechselnder
Flußrichtung ist wie folgt.
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Bei einer Drehrichtung der Pumpe, die der bereits beschriebenen Ausführung
entspricht, wird das Druckmittel während des Arbeitsvorganges uber die Öffnung 19
und die Steueröffnung 17 angesaugt und durch dde Steueröffnung 18 und die Öffnung
20 herausgedrückt.
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Das zwischen der Öffnung 20 und der Nut 23 wirksame Rückschlagventil
25 ist geöffnet, wodurch das Druckmittel in analoger Weise zur ersten Ausführung
zu den im Arbeitsbereich befindlichen Gleit° schuhen 5 gelangt. Das zwischen der
Öffnung 19 und der Nut 21 wirksame Rückschlagventil 24 bleibt geschlossen, so daß
ein AbX saugen des Druckmittels aus den im Saugbereich der Pumpe befindlichen Gleitschuhen
5 nicht eintritt.
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Bei Änderung der Flußrichtung nehmen das Rückschlagventil 25 die Schließstellung
und das Rückschlagventil 24 die Öffnungsstellung ein, wonach der Ablauf in umgekehrt
analoger Weise erfolgt.
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In Fig. 7 wird eine Ausführung für die Überleitung des Druckmittels
von der Bohrung 14 zur Bohrung 11 gezeigt, welche davon ausgeht, eine stabile Führung
des Kolbens 3 in der Sylinderbohrung 2 zu gewährleisten. Der Kolben 3 ist im stetig
überdeckten Gleitbereich zwischen diesen und der Zylinderbohrung 2 mit einer oder
mehreren gewindeförmig angeordneten Nuten 26 ausgestattet,
welche
mit der Quernut 13 eine Flüssigkeitsverbindung aufweisen, Die Steigung und Breite
der Nuten 26 sind dabei so gewalt, daß mit der Bohrung 14 über eine oder mehrere
Mündungsöffnungen in jeder Kolbenstellung eine Flüssigkeitsverbindung besteht.
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In einer weiteren in Fig. 8 dargestellten Ausführung wird die Flüssigkeitsverbindung
zwischen der Bohrung 14 und der Bohrung 11 dadurch hergestellt, daß in der Zylinderbohrung
2 eine oder mehrere Ringnuten 27 eingearbeitet sind, welche mit der Bohrung 14 in
Verbindung stehen. Der Kolben 3 ist mit einer oder mehreren Ringnuten 27 oder Abflachungen
28 ausgestattet0 Die Ringnuten 27 und die Abflachungen 28 sind so ausgestattet bzw.
angeordnet, daß bei jeder Kolbenstellung die Flüssigkeitsverbindung zwischen den
Bohrungen 11; 14 besteht.
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Die erfindungsgemäße Lösung, die an einigen Ausführungen dargestellt
und an diesen beschrieben wurde, bildet besonders eine Grundlage für die Verwendung
von massearmen Kolben. Die Schwierigkeiten, welche durch die KolbenmasseRräfte,
besonders bei Axialkolbenpumpen, auftreten sind bekannt. Zu ihrer Beseitigung sind
verschiedene Lösungen, besonders für die Gestaltung der Kolben, gefunden worden,
deren Verwendung in der Regel daran scheiterte, daß der oft sehr hohe Fertigungsaufwand
den relativ geringen Nutzeffekt nicht rechtfertigte. Die Verwendung von Hohl-kolben,
deren Hohlraum gleichzeitig der Zuführung de Druckmittels zu den tydrostatischen
Lagern der Gleitschuhe dient, scheiterte daran, daß in der bereits beschriebenen
Weise beim Saugvorgang Lufteinschlüsse im Hohlraum der Kolben entstanden welche
den Wirkungsgrad der Kolbenpumpe minderte und eine hohe Geräuschbildung zur Folge
hatte.
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Bei der Ausführung nach Fig. 8 ist der Kolben 3 mit einem Hohlraum
29 ausgestattet. Der der Masseminderung des Kolbens 3 dienende Hohlraum 29 hat hierbei
gleichzeitig die Aufgabe, die Flüssigkeitsverbfrdung zwischen der Querbohrung 13
und der Bohrung 11 zu gewährleisten. Da mit der erfindungsgemäßen Lösung ein Absaugen
des Druckmittels aus den Kolben nicht.erfolgt, tritt der Hohlraum 29 nicht als schädlicher
Raum in Erscheinung, wodurch auch die genannten Nachteile vermieden werden.
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Bruch eine Kerbe 30, welche in Fig. 5 dargestellt ist, kann, entsprechend
ihrer größenmäßigen Geetaltung, erreicht werden, daß
beispielsweise
bei geringerem Querschnitt, eine geringe Druckmittelmenge von der mit Druckmittel
beaufschlagten Nut 21 bzw. 23 zu der im Saugbereich befindlichen Nut 23 bzw. 2t
gelangt, wodurch es entsprechend der Ausführung möglich ist entsprechend Leckverluste
auszugleichen oder einen gewünschten Mindestdruck in den Druokentlastungsfeldern
8 bzw. den Druckentlastungsfeld 9 an den im Saugbereich befindlichen Gleitschuhen
5 zu erhalten.
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Bei einer Näherung des Querschnittes der Kerbe 30 an den Querschnitt
der Nuten 21g 23 steigt die Beaufschlagung der im Saug bereich der Pumpe befindlichen
Druokentlastungsfeldern 8s 9.
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Die Beaufschlagung der Druckentlastungsfelder 8; 9 ist in jeder Punktionsteilung
gleich, wenn der Querschnitt der Kerbe 30 zumindest angenähert dem Querschnitt der
Nuten 21, 23 entspricht und diese damit funktionell den Charakter einer einheitlichen
Nut erhalten.