DE19602770A1

DE19602770A1 - Kolbenrollen-Führung für Radialkolbenaggregat

Info

Publication number: DE19602770A1
Application number: DE1996102770
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr Grahl
Original assignee: Sauer Sundstrand GmbH and Co
Current assignee: Sauer Sundstrand GmbH and Co
Priority date: 1996-01-26
Filing date: 1996-01-26
Publication date: 1997-07-31
Anticipated expiration: 2016-01-27
Also published as: DE19602770C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Druckmittelaggregat, insbesondere einen Hy draulikmotor oder eine Hydraulikpumpe, gemäß Oberbegriff von Anspruch 1.

Derartige Druckmittelaggregate sind bekannt und Gegenstand ständiger Forschung, die insbesondere auf die zwischen Kolben und Nockenring befindliche Kolbenrolle gerichtet ist. Bezüglich seines prinzipiellen Aufbaus weist ein Radialkolbenaggregat, insbesondere ein Radialkolben motor, die Elemente Rotor und Stator sowie eine Lagerung des Rotors gegenüber dem Stator auf. Die Elemente Rotor und Stator sind dabei drehbar um eine geometrische Achse angeordnet und in Achsrichtung zueinander fixiert. Des weiteren ist ein Nockenring vorgesehen, welcher mit dem Stator verbunden ist, auf welchem Kolbenrollen, welche von Kolben, die in Zylinderbohrungen eines Zylinderblocks als Bestandteil des Rotors verschiebbar geführt sind, getragen sind und sich abstützend abrollen, wodurch der Hub der Kolben in den Zylinderbohrungen ent sprechend dem Profil des Nockenringes erzeugt wird. Bei einer Druck beaufschlagung des Aggregates wird die durch den hydrostatischen Druck auf die Kolbenfläche ausgeübte Kraft über die im wesentlichen zylin drisch ausgebildete Rolle auf den Nockenring geleitet. Dieser Mechanis mus arbeitet bei aufgeprägter Kraft formschlüssig und setzt prinzipiell voraus, daß die vom Kolben auf die Kolbenrolle ausgeübten Kräfte im wesentlichen zum Nockenring gerichtet sind. Aufgrund der Krümmung des Nockenringes bzw. dessen Profils wird dadurch die erforderliche achsparallele Ausrichtung der Mittelachse der Kolbenrolle gegenüber der geometrischen Drehachse des Aggregates erzielt.

Neben der achsparallelen ist auch die axiale Führung der Kolbenrolle von Bedeutung. Bei bekannten Aggregaten sind dazu Führungsringe vorgesehen, welche in den Zylinderblock zusätzlich eingelegt werden und dadurch eine axiale Verschiebung der mit ebenen Stirnflächen versehenen Kolbenrollen verhindern (siehe Fig. 1). Wegen der erforderlichen achs parallelen und axialen Führung bei hoher Präzision und hohen über tragenen Kräften werden hohe Anforderungen an einen derartigen, zusätzlich vorzusehenden Führungsring gestellt.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Druckmittelaggregat zu schaffen, bei welchem die axiale Führung der auf einem Nockenring ablaufenden Kolbenrollen mittels einer reduzierten Anzahl von Teilen erreicht, die die Gestaltfestigkeit von Kolben und Zylinderblock verbessert, und die Ferti gungskosten reduziert werden.

Diese Aufgabe wird mit einem Druckmittelaggregat mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

Danach weist das Druckmittelaggregat, welches insbesondere ein Hydrau likmotor oder eine Hydraulikpumpe und insbesondere ein Radialkolben motor oder eine Radialkolbenpumpe sein kann, ein feststehendes Gehäu se, einen um eine geometrische Achse drehbaren, einen Zylinderblock umfassenden Rotor, einen Stator mit einer Lagerung für den Rotor, wobei der Rotor und der Stator bezüglich der Achse zueinander fixiert sind, sowie einen mit dem Stator verbundenen Nockenring auf. Darüber hinaus sind in den Zylinderbohrungen Kolbenrollen verschiebbar geführt und achsparallel zu der geometrischen Achse gehalten sowie an dem Nockenring abgestützt, wodurch beim Umlaufen des Rotors entsprechend dem Profil des Nockenringes die Kolben in den Zylinderbohrungen hubbewegt werden.

Erfindungsgemäß weisen die Kolbenrollen konvexe Stirnflächen auf und sind in den Zylinderbohrungen im wesentlichen während des gesamten Umlaufs des Rotors an dem Nockenring axial geführt. Die erforderliche achsparallele Ausrichtung der Mittelachse der jeweiligen Kolbenrolle gegenüber der geometrischen Drehachse des Aggregates ist aufgrund der Krümmung des Nockenringes über den weitaus größten Teil des Dreh winkelbereiches seines Rotors gewährleistet.

Im Falle des inneren Totpunktes eines entsprechenden Kolbens, d. h., wenn der Kolben mit auf dem Nockenring aufliegender Rolle am weite sten zur geometrischen Mittelachse verschoben ist, besteht keine achspar allele Führung der Kolbenrolle; es kann jedoch davon ausgegangen werden, daß die zum Durchlaufen des inneren Totpunktes erforderliche Zeitdauer kurz ist, so daß die in diesem Punkt nicht vorhandene achs parallele Führung der Kolbenrolle für den Betrieb des Aggregats ohne Bedeutung ist. Die neben der achsparallelen für eine volle und zuver lässige Funktion des Aggregats ebenfalls erforderliche axiale Führung der Kolbenrolle wird erfindungsgemäß durch eine Konstruktion realisiert, die auf gemäß Stand der Technik notwendige Führungsringe gänzlich ver zichtet. Die ballig ausgeführten Stirnflächen der Kolbenrollen sind dabei direkt in den Zylinderbohrungen axial geführt. Die ballige Ausbildung der Stirnflächen bedeutet, daß während der Führung ein relativ kleiner Teil der Oberfläche dieser Stirnflächen Reibkräften seitens der inneren Zylinderoberflächen der Zylinderbohrungen ausgesetzt ist. Dies stellt einen weiteren Vorteil der Erfindung gegenüber Druckmittelaggregaten des Standes der Technik dar, bei welchen üblicherweise Führungsringe vorgesehen sind, die wegen größerer in Kontakt befindlicher Flächen höhere Reibverluste verursachen. Die größte Länge der Kolbenrollen ist dabei die zwischen dem jeweils auf der Stirnfläche im Achsmittelpunkt der Kolbenrolle ausgebildeten Scheitelpunkt. In diesem Achsmittelpunkt reicht die Kolbenrolle im wesentlichen bis an die Zylinderwand heran, wodurch die axiale Führung der Kolbenrolle gewährleistet ist. Auch hierbei ergibt sich ein Bereich des Drehwinkels des Aggregates, nämlich der Bereich um den bezüglich der geometrischen Drehachse des Ag gregates gebildeten äußeren Totpunkt eines betreffenden Kolbens, d. h., wenn der Kolben am weitesten von der geometrischen Drehachse ent fernt ist, innerhalb dessen die axiale Führung der Kolbenrolle nur einge schränkt möglich ist, da die Drehachse der Kolbenrolle aus der Zylin derbohrung herauslaufen kann. Auch hierbei kann davon ausgegangen werden, daß aufgrund der Tatsache, daß die Zeitdauer für das Durch laufen des betreffenden Winkelbereiches sehr klein ist, die zuverlässige und betriebssichere Funktion des Aggregates nicht beeinträchtigt ist.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemaßen Druck mittelaggregates ist der Radius der konvexen, d. h. ballig ausgebildeten Stirnflächen der Kolbenrollen kleiner als der Radius der Zylinderbohrun gen. Dadurch wird der Reibkontakt zwischen Stirnflächen der Kolbenrol le und innerer Oberfläche der Zylinderbohrungen weiter herabgesetzt.

Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die auf die Scheitelpunkte der konvexen Stirnflächen der Kolbenrollen bezo gene Länge so bemessen, daß zwischen den Stirnflächen und der Ober fläche der Zylinderbohrungen ein geringes axiales Spiel vorhanden ist. Das geringe axiale Spiel ermöglicht die Ausbildung eines entsprechenden Schmierfilms unter allen Lastbedingungen zwischen der Oberfläche der Stirnflächen der Kolbenrolle und der Innenoberfläche der Zylinderbohrun gen.

Vorzugsweise ist gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfin dung die Breite des Nockenringes so ausgebildet, daß sie im wesentlichen der Länge der Kolbenrollen entspricht. Dadurch wird erreicht, daß zum einen die Kolbenrollen über ihre gesamte tragende Breite mit dem Nockenring in Kontakt sind und daß zum anderen der Nockenring aus Gründen der Gestaltfestigkeit und der Materialeinsparung nur die erfor derliche Breite der Kolbenrollen aufweist.

Um eine Führung der Kolbenrollen im Bereich des äußeren Totpunktes, d. h. innerhalb der Stellung des Rotors zu gewährleisten, in welchen die Mittelachsen der Kolbenrollen aus den Zylinderbohrungen ausgetaucht sind, ist das aus Gehäuseteilen bestehende Gehäuse so ausgebildet, daß in diesen Bereichen die Kolbenrollen gegenüber dem Nockenring über den Kontakt zumindest eines Scheitelpunktes des konvexen Stirnflächen mit zumindest einer Wand des Gehäuses geführt sind.

Vorzugsweise ist gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfin dung zwischen den Kolben und den Kolbenringen eine Verdrehsicherung vorgesehen. Durch diese Verdrehsicherung wird verhindert, daß eine Verdrehung des Kolbens in der Zylinderbohrung z. B. während des Trans portes eines nicht betriebsbereiten Radialkolbenmotors infolge von Er schütterungen und ähnlichem auftritt.

Die Kolbenrollen sind nicht formschlüssig wie dem Stand der Technik entsprechend, sondern kraftschlüssig gegen Verdrehen um die Achse der Zylinderbohrung gesichert. Somit ergibt sich eine sehr vorteilhafte Führung von Kolben und Kolbenrolle, welche sehr einfach und kosten günstig realisierbar ist. Des weiteren wird durch die erfindungsgemäße Ausbildung die Gestaltfestigkeit der Kolben in vorteilhafter Weise gegen über den bekannten Mechanismen erhöht.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung werden nun detailliert in der nachfolgenden Beschreibung eines Aus führungsbeispiels unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Axialschnittansicht eines Radialkolbenmotors gemäß Stand der Technik mit in Führungsringen geführten Kolben rollen;

Fig. 2 eine Radialschnittansicht eines Radialkolbenmotors gemäß der Erfindung;

Fig. 3 eine Axialschnittansicht eines Radialkolbenmotors gemäß Fig. 2;

Fig. 4a eine Perspektivansicht eines Kolbens gemäß Stand der Technik zur Aufnahme von in Führungsringen geführten Kolbenrollen;

Fig. 4b eine Perspektivansicht eines Kolbens gemäß der Erfindung zur Aufnahme von ohne Führungsringen geführten Kolben rollen;

Fig. 5 eine Verdrehsicherung eines Kolbenringes eines Kolbens gemäß der Erfindung; und

Fig. 6 eine vergrößerte Detailansicht der Verdrehsicherung gemäß Fig. 5.

In Fig. 1 ist eine Axialschnittansicht eines Axialkolbenmotors gemäß Stand der Technik dargestellt, welcher in Führungsringen 20 geführte Kolbenrollen 10 aufweist. Der dargestellte Radialkolbenmotor weist ein aus zwei Teilen 1, 2 bestehendes Gehäuse auf, wobei diese Teile 1, 2 durch Schrauben 3 mit dazwischenliegenden Dichtungen zusammengefügt sind. Statisch mit dem Gehäuse verbunden ist ein Nockenring 14. Ein Zylinderblock 4 ist über eine Verzahnung 5 mit einer Welle 6 des Aggregates koaxial verbunden, wobei die Welle über entsprechende Lager gegenüber dem Gehäuse 1, 2 fixiert und um eine geometrische Dreh achse A drehbar angeordnet ist. Im Zylinderblock 4 sind über den Umfang gleichmäßig beabstandet Kolbeneinheiten vorgesehen, welche jeweils einen Kolben 7 mit Kolbenringen 8 sowie Kolbenrollen 10 auf weisen. Ein drehfest angeordnetes Steuerorgan 11 ist mit dem eigentli chen Radialkolbenmotor so verbunden, daß über entsprechende Steuerlei tungen Hydrauliköl den jeweiligen Zylinderräumen 16 so zuführbar ist, daß der Druck des Hydrauliköls auf die jeweiligen Kolbenflächen 17 wirkt.

Beim Umlaufen des die jeweiligen Zylinderbohrungen aufweisenden Zylinderblockes 4 nehmen die Kolben 7 je nach Stellung bezüglich des Profils des Nockenringes 14 auch ihre entsprechenden inneren bzw. äußeren Totpunktstellungen 19, 21 ein. Die Führungsringe 20 sind dabei so ausgebildet, daß auch in den äußeren Totpunktstellungen die Kolben rollen 10 axial geführt sind.

Fig. 2 stellt eine Radialschnittansicht eines Radialkolbenmotors gemäß der Erfindung dar. Der prinzipielle Aufbau des Radialkolbenmotors entspricht dem gemäß Fig. 1. In dem Zylinderblock 4 sind radial angeordnete Zylinderbohrungen 13 vorgesehen, welche bezüglich des Umfanges des Zylinderblockes 4 in gleichen Winkeln gegeneinander versetzt sind. In den Zylinderbohrungen 13 ist jeweils ein Kolben 7 verschiebbar angeordnet. Die bezogen auf die geometrische Achse A des Rotors radial außen liegenden Kolbenenden sind mit Kolbenrollen 10 versehen, deren Achsen B parallel zur geometrischen Achse A des Rotors verlaufen. Wenn das Hydraulikaggregat mit unter Druck stehen dem Hydraulikmedium beaufschlagt wird, gelangt dieses Hydraulikmedium über Hydraulikbohrungen 15 vom drehfest am Gehäuse angeordneten Steuerorgan 11, welches insgesamt mit einem Deckel 12 abgeschlossen ist, in die jeweiligen Zylinderräume 16. Der hydrostatische Druck wirkt dabei auf die Kolbenoberfläche 17 und bewirkt die Verschiebung des jeweiligen Kolbens radial nach außen zum Nockenring 14 hin. Da die Kolbenrollen 10 zylindrisch ausgebildet sind und der Nockenring 14 die in Fig. 2 dargestellte profilierte Form aufweist, ergibt sich für jeden Drehwinkel des Rotors des Radialkolbenmotors ein linienförmiger Kon takt 18 zwischen den Kolbenrollen 10 und dem Nockenring 14. Bei mit Druck beaufschlagtem Kolbenraum ist daher die für den Betrieb erfor derliche achsparallele Ausrichtung zwischen den Kolbenrollen 10 mit den Drehachsen B und der geometrischen Drehachse A des Radialkolbenmo tors durch Formschluß gewährleistet.

Lediglich im Bereich des inneren Totpunktes 19 des Nockenringes 14 ergibt sich ein kleiner Winkelbereich, innerhalb dessen die Kolbenrollen 10 trotz Druckbeaufschlagung der Kolben 7 um deren geometrische Kippachse C verdreht werden können. Dieser Winkelbereich ist jedoch, bezogen auf den gesamten Nockenring 14, sehr klein, so daß ausge schlossen werden kann, daß Kräfte oder Momente vorhanden sind, welche während des Durchlaufens dieses kleinen Winkelbereiches dazu führen könnten, daß eine Drehung der jeweiligen Kolbenrolle 10 um die Achse C erfolgt und somit ein Betrieb des Radialkolbenmotors behindert werden würde. Es sei festgestellt, daß die genannten Kräfte und Mo mente nicht funktionsbedingt sind, sondern durch Fertigungstoleranzen und äußere, auf den Radialkolbenmotor wirkende Beschleunigungen entstehen.

Fig. 3 zeigt eine Axialschnittansicht eines Radialkolbenmotors gemäß Fig. 2. Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Kolbenrollen 10 sind unmittel bar in den Zylinderbohrungen 13 axial geführt. Das wird dadurch realisiert, daß die Kolbenrollen 10 an ihren Stirnflächen 23 konvex, d. h. ballig ausgeführt sind. Der Radius r_r der balligen Form der Stirnflächen 23 der Kolbenrollen 10 ist dabei geringfügig kleiner als der Radius der Zylinderbohrungen r_Z. Durch diese Ausgestaltung werden die bei Dre hung und Verschiebung der Kolbenrollen 10 in den Zylinderbohrungen 13 auftretenden Relativgeschwindigkeiten zwischen den Kolbenrollen 10 und den Zylinderbohrungen 13 klein gehalten und wird eine Benetzung des "Kontakt"-Bereiches zwischen Stirnflächen 23 der Kolbenrolle 10 und der inneren Oberfläche der Zylinderbohrung 13 mit Hydraulikmedium zum Zweck der Schmierung sichergestellt.

Die Länge der Kolbenrollen 10 ist dabei so ausgebildet, daß diese nur mit geringem axialen Spiel in den Zylinderbohrungen 13 bewegt werden können. Im Bereich des äußeren Totpunktes 21 des Nockenringes 14 ergibt sich bei bestimmten Formen des Nockenringes 14 ein Winkelbe reich, innerhalb dessen die Mittelachse B der Kolbenrolle 10 aus den Zylinderbohrungen 13 austauchen und daher die axiale Führung der Kolbenrollen 10 nicht mehr auf dem Scheitelpunkt bzw. dem Bereich des Scheitelpunktes der balligen Stirnflächen 23 der Kolbenrollen 10 erfolgen kann. Bezogen auf den gesamten Nockenring 14 ist dieser Winkelbe reich jedoch sehr klein, so daß ausgeschlossen werden kann, daß Kräfte oder Momente vorhanden sind, die während des Durchlaufens dieses kleinen Winkelbereiches dazu führen könnten, daß eine axiale Verschie bung der Kolbenrollen 10 auftritt und der Betrieb des Radialkolbenmo tors dadurch behindert ist.

Ein weiterer Vorteil der konvexen Ausbildung der Stirnflächen 23 der Kolbenrollen 10 besteht darin, daß, selbst wenn eine axiale Verschiebung z. B. beim Transport des nicht betriebsbereiten Radialkolbenmotors denk bar wäre, die Kolbenrolle in die entsprechende Zylinderbohrung 13 wieder in die richtige axiale Position eintaucht. Die ballige Ausbildung der Stirnflächen der Kolbenrollen 10 ist sozusagen bezüglich der axialen Führung selbstjustierend.

Des weiteren ist aus Fig. 2 ersichtlich, daß die Breite des Nockenringes 14 der Länge der Kolbenrollen 10 angepaßt ist und die anliegenden Gehäuseteile 1, 2 so ausgebildet sind, daß die axiale Führung der Kol benrolle 10 im Winkelbereich des äußeren Totpunktes 21 über den Kontakt des Scheitelpunktes der konvexen Stirnflächen 23 und der Ge häusewand sichergestellt ist.

In Fig. 4a ist ein Kolben des Standes der Technik dargestellt, dessen Oberseite den Aufnahmebereich für die Kolbenrolle 10 zeigt. Ein solcher Kolben des Standes der Technik weist an diametral gegenüber liegenden Bereichen im Bereich der halbzylindrischen Aussparung zur Aufnahme der Kolbenrolle teilweise ebene Flächenabschnitte auf, welche der Anordnung der Führungsringe 20 dienen, damit die Stirnflächen 23 der plan ausgebildeten Kolbenrollen des Standes der Technik an den Innenflächen der Führungsringe anschlagen können und dadurch die axiale Führung der Kolbenrollen realisierbar ist.

Fig. 4b zeigt einen Kolben gemäß der Erfindung, bei welchem die ebenen Flächenabschnitte nicht ausgebildet sind, da Führungsringe nicht vorgesehen sind. Die in den Lagerschalen 9 getragenen Kolbenrollen 10 sind vielmehr an ihren ballig ausgebildeten Stirnflächen 23 in der jeweili gen Zylinderbohrung 13 direkt geführt.

Fig. 5 zeigt eine Verdrehsicherung eines Kolbenringes 8 eines Kolbens 7 gemäß der Erfindung. Diese Verdrehsicherung 22 dient dazu, eine Verdrehung des Kolbens 7 in der Zylinderbohrung 13 z. B. während des Transportes eines nicht betriebsbereiten Radialkolbenmotors infolge von Erschütterungen und ähnlichem zu verhindern. Diese in Form einer Kugel ausgebildete Verdrehsicherung (siehe Fig. 6) bewirkt, daß die jeweiligen Kolben 7 mit einer Klemmkraft gegen Verdrehung gesichert sind, da die Kolbenringe 8 vorgespannt in die jeweilige Zylinderbohrung 13 eingesetzt werden.

Bezugszeichenliste

1, 2 Gehäuse
3 Schrauben
4 Zylinderblock
5 Verzahnung (außenverzahnter Innenrotor/Rotorwelle)
6 Welle
7 Kolben
8 Kolbenring
9 Lagerschalen
10 Kolbenrolle
11 Steuerorgan (drehfest)
12 Deckel
13 Zylinderbohrung
14 Nockenring
15 Bohrung
16 Zylinderraum
17 Kolbenfläche
18 Linienkontakt der Kolbenrolle 10 am Nockenring 14
19 innerer Totpunkt
20 Führungsring
21 äußerer Totpunkt
22 Verdrehsicherung
23 Stirnfläche
A geometrische Drehachse des Druckmittelaggregates
B Drehachse der Kolbenrolle
C Kippachse der Kolbenrolle

Claims

1. Druckmittelaggregat, insbesondere Hydraulikmotor oder Hydraulik pumpe, mit feststehendem Gehäuse (1, 2), einem um eine geome trische Achse (A) drehbaren, einen Zylinderblock (4) mit im wesent lichen radial angeordneten Zylinderbohrungen (13) umfassenden Rotor, einem Stator mit einer Lagerung für den Rotor; wobei der Rotor und der Stator bezüglich der Achse (A) zueinander fixiert sind, einem mit dem Stator verbundenen Nockenring (14) und mit in den Zylinderbohrungen (13) verschiebbar geführten Kolben (7), welche über achsparallel zu der Achse (A) gehaltene Kolbenrollen (10) an dem Nockenring (14) abgestützt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenrollen (10) konvexe Stirnflächen (23) aufweisen, mittels derer die Kolbenrollen (10) in den Zylinderbohrungen (13) im wesentlichen während des gesamten Umlaufs des Rotors axial geführt sind.

2. Druckmittelaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius der konvexen Stirnflächen (23) der Kolbenrollen (10) kleiner als der Radius der Zylinderbohrungen (13) ist.

3. Druckmittelaggregat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die auf die Scheitelpunkte der konvexen Stirnflächen (23) der Kolbenrollen (10) bezogene Länge so bemessen ist, daß zwischen den Stirnflächen (23) und den Zylinderbohrungen (13) ein axiales Spiel vorhanden ist.

4. Druckmittelaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Nockenringes (14) im wesentli chen der Länge der Kolbenrollen (10) entspricht.

5. Druckmittelaggregat nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1, 2) so ausgebildet ist, daß die Kolbenrollen (10) innerhalb der Stellungen des Rotors, in welchen ihre Mittelachsen (B) aus den Zylinderbohrungen (13) ausgetaucht sind, gegenüber dem Nockenring (14) über den Kontakt der Scheitelpunkte der konvexen Stirnflächen (23) mit zumindest einer Wand des Gehäuses (1, 2) geführt sind.

6. Druckmittelaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den mit Kolbenringen (8) geführten Kolben (7) und den Kolbenringen (8) eine Verdrehsicherung (22) vorgesehen ist.