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Die Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Axialkolbenmaschinen
haben üblicherweise eine
Zylindertrommel mit Zylinderbohrungen, in welchen Kolben axial verschiebbar
angeordnet sind. Die Zylinderbohrungen münden über Zylinderöffnungen an
einer Steuerscheibe aus, welche zur Verbindung der Zylinderbohrungen
mit einem Niederdruckanschluß und
einem Hochdruckanschluß dient.
Dazu weist die Steuerscheibe üblicherweise
zumindest eine in etwa nierenförmige
Niederdrucköffnung
und eine ebenfalls etwa nierenförmige
Hochdrucköffnung auf.
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Im Bereich der Umsteuerung zwischen
der Niederdrucköffnung
und der Hochdrucköffnung
im Bereich des oberen und unteren Totpunkts kommt es aufgrund des
Druckanstiegs zu einer Geräuschentwicklung.
Ferner treten Kavitationsprobleme auf. Aus der
DE 42 29 544 A1 ist es bekannt,
einen Vorkompressionsbehälter über eine
Verbindungsleitung mit der Hochdrucköffnung gedrosselt zu verbinden
und an der Steuerscheibe im Bereich der Totpunktlage zwischen der
Niederdrucköffnung
und der Hochdrucköffnung
eine weitere Öffnung
vorzusehen, die über
einen Verbindungskanal mit dem Vorkompressionsbehälter verbunden
ist. Die Zylinderöffnungen weisen
jeweils eine radial nach außen
gerichtete Kerbe auf, die diese weitere Öffnung der Steuerscheibe im
Bereich der Totpunktlage kurzzeitig überstreicht. Dadurch werden
die Zylinderbohrungen kurzzeitig mit einem Vorkompressionsdruck
beaufschlagt und die Geräuschentwicklung
wird etwas vermindert. Nachteilig bei dieser Ausbildung ist jedoch,
daß die weitere Öffnung exakt
im Bereich der Totpunktlage angeordnet ist. Die zusätzliche
Injektion von Druckmittel bewirkt hier einen Druckimpuls, der eine
zusätzliche
Geräuschentwicklung
hervorruft. Der Druck in dem Vorkompressionsbehälter befindet sich ferner nicht
auf einem definierten Niveau sondern hängt von der Häufigkeit
der Entleerung des Vorkompressionsbehälters und somit von der Drehzahl
der Axialkolbenmaschine und ferner von der Nachfließgeschwindigkeit
des Druckfluids aus der Hochdruckleitung und somit von dem Drosselquerschnitt
der Zuführleitung ab.
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Aus der
DE 23 33 380 C2 ist es ebenfalls
bekannt, exakt in der Totpunktlage in Drehrichtung sowohl zwischen
der Niederdrucköffnung
und der Hochdrucköffnung
als auch zwischen der Hochdrucköffnung
und der Niederdrucköffnung
jeweils eine weitere Öffnung
vorzusehen. Die beiden weiteren Öffnungen
dienen als Akkumulationskammern und sind über einen Druckausgleichskanal
verbunden. Dadurch tritt wie auch bei der
DE 42 29 544 A1 zwar eine
gewisse Dämpfungswirkung
auf, die jedoch die Geräuschentwicklung
und das Kavitationsproblem nicht wirkungsvoll verringert.
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Aus der
JP 60-85267A ist eine Axialkolbenmaschine
mit einer Steuerscheibe bekannt. Die Steuerscheibe weist eine Niederdrucköffnung und
eine Hochdrucköffnung
auf. Zwischen der Niederdrucköffnung
und der Hochdrucköffnung
sind in Umlaufrichtung weitere Öffnungen
vorgesehen. Der an den weiteren Öffnungen
bestehende Druck wird dabei durch ein Ventil auf einen durch eine
Feder vorgegebenen festen Wert eingestellt. Der Druck an den weiteren Öffnungen
ist daher unabhängig
von dem Hochdruck der Hochdrucköffnung
und liegt auf einem festen Wert unterhalb des Hochdrucks. Durch
den an den weiteren Öffnungen
bestehenden Druck, der unterhalb des Hochdrucks liegt, kann die
Geräuschentwicklung
reduziert werden, die entsteht, wenn eine Zylinderbohrung in Drehrichtung
die nachfolgende Hoch- bzw. Niederdrucköffnung der Steuerscheibe zu überfahren
beginnt. Die bekannte Axialkolbenmaschine hat allerdings den Nachteil,
dass der Druck der weiteren Öffnungen
fest vorgegeben ist, so dass bei einer Erhöhung des Hochdrucks der Hochdrucköffnung die
Differenz zwischen dem Druck an der weiteren Öffnung und dem Hochdruck zunimmt,
wodurch sich die Geräuschentwicklung
erhöht.
Außerdem
ist bei einem Einsatz der Axialkolbenmaschine mit eher geringem
Hochdruck an der Hochdrucköffnung
die bekannte Einrichtung zur Geräuschreduzierung
im Wesentlichen unwirksam. Das heißt, die bekannte Einrichtung
eignet sich nicht, um die im Niederlastbetrieb bestehende Geräuschentwicklung
zu verringern.
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Außerdem ist bei der aus der
JP 60-85267A bekannten
Axialkolbenmaschine jede der beiden weiteren Öffnungen in einer Totpunktlage
angeordnet, wodurch sich ein weiterer Nachteil ergibt. Da die Zylinderöffnungen
in Bewegungsrichtung eine gewisse Ausdehnung haben, wird die jeweilige
Zylinderbohrung bereits vor Erreichen der Totpunktlage mit der weiteren Öffnung verbunden.
Hierdurch kommt es jedoch zu einer Verringerung der Leistung der
Axialkolbenmaschine und zu einer zusätzlichen Materialbeanspruchung
und Geräuschentwicklung.
Dies wird deutlich, wenn die Axialkolbenmaschine der
JP 60-85267A als Motor betrieben
wird und das Überfahren
der Zylinderöffnung
einer Zylinderbohrung von der Niederdrucköffnung über die weitere Öffnung zur Hochdrucköffnung betrachtet
wird. Der in der Zylinderbohrung vorgesehene Kolben verrichtet im
Bereich der Hochdrucköffnung
einen Arbeitshub. Wenn die Zylinderbohrung mit der weiteren Öffnung in
Verbindung kommt, kommt es zur Injektion von Hydraulikflüssigkeit
mit einem Druck, der durch die auf das Ventil einwirkende Feder
vorgegeben ist. Da diese Injektion jedoch vor dem Erreichen der
Totpunktlage erfolgt, wirkt die dabei aufgebrachte Energie der Arbeitsrichtung
des Motors gerade entgegen, wodurch sich die Leistung verringert.
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Ein entsprechender Nachteil ist auch
gegeben, wenn sich die Zylinderbohrungen von Hochdruckbereich über den
Totpunkt zum Niederdruckbereich bewegen. Denn beim Überstreichendes
dazwischenliegenden Totpunktes steht die Zylinderbohrung aufgrund
der Ausdehnung der zugehörigen
Zylinderöffnung
auch nach dem Überstreichen
der Totpunktlage noch mit der anderen Öffnung in Verbindung. Zu diesem
Zeitpunkt führt
der Kolben eine Bewegung aus, die normalerweise zum Verdrängen der Hydraulikflüssigkeit
aus der Zylinderbohrung führt. Dem
wird jedoch durch den Druck an der weiteren Öffnung gerade entgegengewirkt.
Das heißt,
auch diesbezüglich
kommt es zu einer Leistungsverringerung des Motors.
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Aus der
DE-OS 20 57 891 ist eine Kolbenpumpe
bekannt, bei der in Umlaufrichtung zwischen einer Niederdrucköffnung und
einer Hochdrucköffnung
einer Steuerscheibe eine weitere Öffnung vorgesehen ist. Eine
Regeleinrichtung, die das Druckniveau in der Öffnung zwischen Niederdrucköffnung und
Hochdrucköffnung
bezüglich
des Druckniveaus in der Hochdrucköffnung regelt, ist aus der
DE-OS 20 57 891 nicht bekannt.
Bei der bekannten Kolbenpumpe ist zwar ein Ventil vorgesehen, dieses
wirkt jedoch nur als Drossel in Bezug auf das Hydraulikmedium, das
zwischen einem Zylinder und einem nachlaufenden Zylinder durch das
Ventil fließt.
Die zwischen Hochdruck und Niederdruck angeordneten Bohrungen bzw. Öffnungen
ermöglichen
daher in einer geeigneten Drehstellung der Zylinderbohrungen einen Fluss
der Hydraulikflüssigkeit
von einer Zylinderöffnung über eine
vorlaufende Zylinderöffnung
in die Niederdrucköffnung.
Entsprechendes gilt auch für
die zwei Bohrungen bzw. Öffnungen,
die symmetrisch zu den bereits erwähnten Öffnungen im Bereich der zweiten
Totpunktlage angeordnet sind.
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Außerdem wird durch das aus der
DE-OS 20 57 891 bekannte
Ventil lediglich eine Drosselung und keine Regelung vorgegeben.
So erfolgt bei einem Ausführungsbeispiel
der
DE-OS 20 57 891 eine
Einstellung des Durchflussquerschnittes der Bohrung, die an der
ersten Totpunktlage angeordnet ist von Hand, indem man mit einem
entsprechenden Werkzeug den Steuerschieber so platziert, dass die
Bohrung vom Steuerschieber mehr oder weniger geschlossen wird, woraus
sich aufgrund des einstellbaren, von der Hydraulikflüssigkeit
durchströmbaren Querschnitts
die Drosselwirkung ergibt. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel
erfolgt die Drosselung in Bezug auf die Federkraft einer Feder.
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Aus der
JP 62-135 674 A ist eine
Axialkolbenmaschine bekannt, die eine gleichmäßige Druckänderung in einer Zylinderbohrung
beim Übergang
von einer Niederdrucköffnung
zu einer Hochdrucköffnung
und umgekehrt ermöglicht.
Wie in der
JP 62-135
674 A dargestellt, kann sich eine Zylinderöffnung beispielsweise
von der Niederdrucköffnung über die Öffnung zu
der Hochdrucköffnung
in Drehrichtung bewegen. Wenn die Zylinderöffnung mit der Öffnung in
Verbindung steht, misst zunächst
ein Drucksensor den Druck in der zugeordneten Zylinderbohrung und übermittelt
diesen an eine Steuereinrichtung. Außerdem misst ein weiterer Drucksensor
den Hochdruck in der Hochdrucköffnung
und übermittelt
diesen Wert an die oben genannte Steuereinrichtung. Diese Steuereinrichtung
vergleicht die von beiden Drucksensoren und gemessenen Drücke und
steuert aufgrund des Vergleichs ein Ventil an, um einen gleichmäßigen Anstieg
des Drucks in der Zylinderbohrung bis zu dem Zeitpunkt zu erreichen,
wo die zugehörige
Zylinderöffnung
beginnt, die Hochdrucköffnung
zu überstreichen.
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Der Nachteil bei der aus der
JP 62-135 674 A bekannten
Lösung
besteht darin, dass eine aufwändige
elektronische Steuerung an beiden Öffnungen für das Hydraulikfluid vorgesehen
sein muss. Dabei ist zuerst eine Druckmessung erforderlich, was die
Reaktionszeit, das heißt
die Zeit, bis der Druckausgleich einsetzt, verlängert. Außerdem muss das elektronisch
angesteuerte Ventil aus dem vollständig geschlossenen bis in den
geöffneten
Zustand gefahren werden, was zum einen eine gewisse Trägheit der
bekannten Regelung bedingt und zum anderen einen erhöhten Verschleiß des hoch
beanspruchten Ventils bedeutet. Diese hohe Beanspruchung bedingt zusammen
mit den weiteren erforderlichen Komponenten, wie z.B. den beiden
Drucksensoren sowie der Steuereinrichtung eine erhöhte Störungsanfälligkeit
der Regeleinrichtung.
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Aus der
DE 41 36 828 C2 ergibt sich,
dass die dortige Strömungsteilerpumpe
den von der Pumpe erzeugten Druckmittelstrom in Abhängigkeit
vom Druckunterschied, der sich aus dem Druck in der ersten Auslassöffnung und
dem Druck in den drei folgenden Auslassöffnung ergibt, aufteilt. Der
Druck in allen Auslassöffnungen
ist dabei vom Arbeitsprozess der Pumpe abhängig und im wesentlichen unabhängig vom
Druck der Einlassöffnung.
Bei der vorliegenden Erfindung kann jedoch ein vorgebbarer Teil
des Drucks der Hochdrucksteueröffnung
verwendet werden, um zusätzliche
Arbeitskreise zu betreiben. Zusätzlich
dazu lässt
sich auch ein durch den Arbeitsprozess gegebener Mitteldruck aufbauen.
Außerdem schließt die Strömungsteilerpumpe
einen Arbeitskreis in Abhängigkeit
von einer Druckdifferenz.
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In der
DE-AS 1 228 929 ist die Mitteldrucköffnung im
Totpunkt angeordnet. Dabei lässt
sich der Mitteldruck nicht auf einen vorgebbaren Teil des Hochdrucks
einstellen, da insbesondere keine direkte Verbindung zwischen Hochdrucköffnung und
Mitteldrucköffnung
vorhanden ist.
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In der
JP-8 284 805 A und der
DE 42 29 544 A1 ist zum
einen durch die alleinige Kombination von Drossel und Speicher nur
eine Zeitverzögerung
gegeben. Zum anderen ist eine Einstellung des Mitteldrucks in Abhängigkeit
vom Hochdruck ebenfalls nicht möglich.
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Aus der
US 3,956,969 ist eine hydraulische Pumpe
mit einer Einrichtung zur Geräuschverringerung
bekannt. Die Funktion dieser bekannten Einrichtung zur Geräuschreduzierung
wird nachfolgend beschrieben. In der Zylinderbohrung, die mit der
Zylinderöffnung
die Niederdrucköffnung überstreicht,
ist Druckfluid unter niedrigem Druck enthalten. Nach dem Überstreichen
des unteren Totpunktes gelangt die Zylinderöffnung mit der weiteren Öffnung in
Kontakt. Der Hochdruck in der Hochdrucköffnung beaufschlagt über die
Drosselstelle den Ventilschieber entgegen der Feder, so dass das
Ventil im geschlossenen Zustand ist, das heißt, das Ventil trennt die beiden
Leitungen voneinander. Somit gelangt das Druckfluid unter hohem
Druck aus der Hochdrucköffnung
nur über
die Drosselstelle zu der weiteren Öffnung und von dieser durch
die Zylinderöffnung
in die entsprechende Zylinderbohrung. Dadurch wird ein Druckanstieg
des Druckfluids in der Zylinderbohrung erreicht. Eine andere Zylinderöffnung überstreicht
zunächst
die Hochdrucköffnung,
so dass die entsprechende Zylinderbohrung mit Druckfluid unter hohem Druck
gefüllt
ist. Danach gelangt die Zylinderöffnung über eine
weitere Öffnung.
Der Niederdruck der Niederdrucköffnung
liegt über
der Drossel, die dem Ventil vorgeschaltet ist auf der einen Seite
des Schiebers des Ventils an. Die Feder des Ventils ist so dimensioniert,
dass für
den Niederdruck das Ventil geöffnet
ist, das heißt,
dass Niederdrucköffnung
und Öffnung über zwei
Leitungen und das dazwischen angebrachte Ventil miteinander verbunden
sind. Somit sind die beiden Leitungen nicht nur über eine Drossel, sondern auch über ein
Ventil frei miteinander verbunden. Falls sich die Betriebsrichtung
der hydraulischen Pumpe ändert,
das heißt,
dass die Funktionalitäten der
beiden Öffnungen
sich vertauschen, wobei die Hochdrucköffnung zur Niederdrucköffnung wird
und umgekehrt, schalten sich die beiden Ventile der beiden Vorrichtungen
zur Geräusch
Reduzierung so um, dass die gleiche Situation wie oben beschrieben
wiederhergestellt ist.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Axialkolbenmaschine anzugeben, die nur geringe Betriebsgeräusche verursacht,
bei welcher eine Kavitation an der Steuerscheibe vermindert ist und
die sich auch für
sehr hohe Betriebsdrücke
eignet.
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Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden
Merkmale des Anspruchs 1 in Verbindung mit den gattungsbildenden
Merkmalen gelöst.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis
zugrunde, daß sowohl
eine Geräuschentwicklung
als auch eine Kavitationsschädigung
wirkungsvoll dadurch vermindert werden kann, daß zwischen der Totpunktlage und
der Hochdrucköffnung
eine Mitteldrucköffnung vorgesehen
wird, deren Druck durch eine geeignete Regeleinrichtung auf einen
vorgegebenen Mitteldruck eingeregelt ist, der geringer als der an
der Hochdrucköffnung
herrschende Hochdruck ist. Durch dieses Mitteldruckniveau wird sichergestellt,
daß der Druckwechsel
im Bereich der Umsteuerung nicht schlagartig von dem Niederdruckniveau
zu dem Hochdruckniveau hin erfolgt, sondern in zumindest zwei Stufen
zunächst
von dem Niederdruckniveau auf das Mitteldruckniveau und dann von
dem Mitteldruckniveau zu dem Hochdruckniveau. Die auftretenden Drucksprünge sind
daher geringer und somit sind auch die Geräuschentwicklung und die Kavitationsschädigung vermindert.
Durch einen definierten, vorgegebenen Mitteldruck an der Mitteldrucköffnung wird
sichergestellt, daß der
Druck an der Mitteldrucköffnung
von Leckageverlusten, der Drehzahl der Axialkolbenmaschine und dergleichen
weitgehend unabhängig
ist.
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In den Ansprüchen 2 bis 12 sind vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung angegeben. Entsprechend Anspruch 4 beträgt der Mitteldruck
vorzugsweise das arithmetische Mittel aus dem Hochdruck und Niederdruck.
Dadurch wird sichergestellt, daß der
Sprung von dem Niederdruckniveau zu dem Mitteldruckniveau gleich
groß ist
wie der Sprung von dem Mitteldruckniveau zu dem Hochdruckniveau
und die auftretenden Drucksprünge
somit so niedrig wie möglich
sind.
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Entsprechend Anspruch 5 ist es auch
möglich,
zwischen der Niederdrucköffnung
und der Hochdrucköffnung
mehrere Mitteldrucköffnungen
vorzusehen, die in Drehrichtung der Zylindertrommel versetzt zueinander
angeordnet sind. Dies hat den Vorteil, daß der Wechsel von der Niederdrucköffnung zu
der Hochdrucköffnung
in mehr als zwei Drucksprüngen vollzogen
wird. Die Höhe
der einzelnen Drucksprünge
ist noch geringer und einer Geräuschentwicklung und
Kavitationsschädigung
wird noch besser entgegengewirkt. Bei Verwendung von mehreren Mitteldrucköffnungen
ist es entsprechend Anspruch 6 vorteilhaft, wenn die Drücke an den
Mitteldrucköffnungen
in Drehrichtung von der Totpunktlage zu der Hochdrucköffnung hin
ansteigen. Die Druckdifferenz zwischen den einzelnen Mitteldrucköffnungen
ist dabei entsprechend Anspruch 7 vorzugsweise konstant, so daß äquidistante
Mitteldruck-Niveaus entstehen.
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Der Mitteldruck kann entsprechend
Anspruch 8 von dem in der Hochdrucköffnung herrschenden Hochdruck
abgeleitet werden, indem ein Druckregelventil zwischen der Hochdrucköffnung und
der zumindest einen Mitteldrucköffnung
angeordnet ist. Wenn der Druck an der Mitteldrucköffnung das
vorgegebene Mitteldruck-Niveau überschreitet, schließt das Druckregelventil
bis der Druck wieder unter dem vorgegebenen Mitteldruck abfällt. Auf
diese Weise wird der Mitteldruck exakt auf das vorgegebene Druckniveau
eingeregelt. Das Verhältnis
zwischen dem Hochdruck und dem Mitteldruck ist durch das Flächenverhältnis an
einem Ventilschieber des Druckregelventils in einfacher Weise vorgebbar.
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Alternativ kann der Druck in der
Mitteldrucköffnung
jedoch auch durch einen Fördervorgang
der Axialkolbenmaschine gewonnen werden, da jede Zylinderbohrung
im Bereich der zwischen der Totpunktlage und der Hochdrucköffnung angeordnete
Mitteldrucköffnung
einen Teilvolumenstrom an die Mitteldrucköffnung abgibt und somit an
der Mitteldrucköffnung
ein Druckniveau aufbaut. Dieses Druckniveau ist dann entsprechend
Anspruch 8 durch ein geeignetes Druckbegrenzungsventil auf den vorgegebenen Mitteldruck
zu begrenzen. Zudem kann entsprechend Anspruch 2 ein Druckregelventil
vorgesehen sein, um eine Verbindung zwischen der Mitteldrucköffnung und
einem hydraulischen Aggregat, insbesondere einer Verstellvorrichtung
zur Verstellung des Verdrängungsvolumens
der Axialkolbenmaschine, dann zu unterbrechen, wenn der Druck an
der Mitteldrucköffnung
ein vorgegebenes Druckniveau überschreitet.
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Entsprechend Anspruch 9 ist es vorteilhaft, wenn
auf zwischen der zweiten, der ersten Totpunktlage gegenüberliegenden
Totpunktlage und der Niederdrucköffnung
eine weitere Mitteldrucköffnung
vorgesehen ist. Dann erfolgt auch der Wechsel von der Hochdruckseite
zu der Niederdruckseite in zumindest zwei Stufen, wodurch der Geräuschentwicklung und
Kavitationsschädigung
weiter entgegengewirkt wird. Die Mitteldrucköffnung zwischen der ersten
Totpunktlage und der Hochdrucköffnung
einerseits und zwischen der zweiten Totpunktlage und der Niederdrucköffnung andererseits
sind dann vorzugsweise entsprechend Anspruch 10 mittels einer gedrosselten
Verbindungsleitung miteinander verbunden. An den Mitteldrucköffnungen
können
entsprechend Anspruch 11 Druckausgleichsbehälter bzw. Druckfluidspeicher
angeordnet sein. Diese Druckfluidspeicher bilden zusammen mit Leitungsdrosseln,
insbesondere mit einer in der Verbindungsleitung angeordneten Drossel
geeignete Dämpfungsglieder.
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Entsprechend Anspruch 12 ist es vorteilhaft, die
Mitteldrucköffnungen
gegenüber
der Niederdrucköffnung
und der Hochdrucköffnung
radial versetzt anzuordnen. Die Länge der Zylinderöffnungen im Überlappungsbereich
mit den Mitteldrucköffnungen
bestimmt dann das Zeitintervall, währenddessen der jeweilige Mitteldruck
an den Zylinderöffnungen gehalten
wird. Aus der
DE 42
29 544 A1 ist es bekannt, eine radiale Erweiterung der
Zylinderbohrungen zum Füllen
eines Vorkompressionsbehälters
zu verwenden. Bei der vorliegenden Erfindung wird im Gegensatz dazu
eine Verbindung mit dem Mitteldruckkreis hergestellt und durch diese
Anordnung der für
die mehrstufige Umsteuerung in Umfangsrichtung erforderliche Bauraum
reduziert.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
bevorzugter Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
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1 einen
Schnitt durch eine Axialkolbenmaschine;
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2 ein
erstes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Steuerscheibe
und der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung;
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3 ein
zweites Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Steuerscheibe
und der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung;
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4 ein
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Steuerscheibe
mit einer hydraulischen Dämpfungsvorrichtung;
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5 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Steuerscheibe;
und
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6 ein
Zeitdiagramm zur Erläuterung
der Erfindung.
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Zum besseren Verständnis der
Erfindung zeigt 1 den
typischen Aufbau einer Axialkolbenmaschine, bei welcher die erfindungsgemäße Weiterbildung
verwirklichbar ist.
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Die allgemein mit dem Bezugszeichen 1 versehene
Axialkolbenmaschine umfaßt
ein Gehäuse 13,
in welchem eine Zylindertrommel 3 drehbar gelagert ist.
In der Zylindertrommel 3 sind sich im wesentlichen axial
erstreckende Zylinderbohrungen 4 ausgebildet, in welchen
Kolben 5 bewegbar sind, die sich über Gleitschuhe 6 an
einer in ihrem Neigungswinkel verstellbaren Schrägscheibe 7 abstützen. In
einem Anschlußblock
ist ein Niederdruckanschluß 16 und ein
Hochdruckanschluß 17 ausgebildet.
Zwischen dem Anschlußblock 9 und
der Zylindertrommel 3 ist eine Steuerscheibe 8 angeordnet,
in welcher eine im wesentlichen nierenförmige Hochdrucköffnung 18 und
eine ebenfalls im wesentlichen nierenförmige Niederdrucköffnung 19 ausgebildet
sind. Die Zylindertrommel 3 ist mit einer Welle 10 drehfest
verbunden. Die Welle 10 ist mittels eines ersten Lagers 11 und
eines zweiten Lagers 14 in dem Gehäuse 13 bzw. dem Anschlußblock 9 drehbar
gelagert. Eine Verstellvorrichtung 12 dient zum Verstellen
des Neigungswinkels der Schrägscheibe 7 und
somit zur Verstellung des Verdrängungsvolumens
der Axialkolbenmaschine 1.
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Die Erfindung betrifft eine Weiterbildung
an der Steuerscheibe 8. Die Drehrichtung der Zylinderöffnungen 15 ist
durch den Pfeil 38 veranschaulicht.
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Die Steuerscheibe 8 ist
entsprechend einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform in 2 in einer Draufsicht mit der hydraulischen
Beschaltung nochmals dargestellt. Die strichpunktierte Linie 20 in 2 markiert die erste Totpunktlage
und die zweite Totpunktlage 22 der Kolben 5. Die
Kolben 5 kehren an den Totpunktlagen 21 und 22 jeweils
ihre Bewegungsrichtung um. Bei Verwendung der in 1 dargestellten Axialkolbenmaschine 1 als
Axialkolbenpumpe erreichen die Kolben 5 an der ersten Totpunktlage 21 jeweils
ihren maximalen Kolbenhub mit dem maximalen Volumen der Zylinderbohrungen 4.
Nach Überschreiten
der ersten Totpunktlage wird das Druckfluid aus den Zylinderbohrungen 4 über die in 1 dargestellten Zylinderöffnungen 15 und
die Öffnungen
der Steuerscheibe 8 herausgedrückt. An der zweiten Totpunktlage 22 kehrt
sich die Bewegung der Kolben 5 wiederum um und die Kolben 5 beginnen
mit einer Saugbewegung.
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Erfindungsgemäß ist zumindest zwischen der
ersten Totpunktlage 21 und der mit dem Hochdruckanschluß 17 verbundenen
Hochdrucköffnung 18 eine
weitere Öffnung
in Form einer sogenannten Mitteldrucköffnung 23 vorgesehen.
Ferner ist erfindungsgemäß eine Regeleinrichtung
vorgesehen, die den Druck an der Mitteldrucköffnung 23 auf einen vorgegebenen
Mitteldruck MD zwischen dem an der mit dem Niederdruckanschluß 16 verbundenen
Niederdrucköffnung 19 herrschenden
Niederdruck ND und dem an der Hochdrucköffnung 18 herrschenden Hochdruck
HD einregelt. Vorzugsweise beträgt
der an der Mitteldrucköffnung 23 herrschende
Mitteldruck MD etwa das arithmetische Mittel aus dem an der Hochdrucköffnung 18 herrschenden
Hochdruck HD und dem an der Niederdrucköffnung 19 herrschenden
Niederdruck ND bzw. etwa die Hälfte
des an der Hochdrucköffnung 18 herrschenden
Hochdrucks HD.
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Die erfindungsgemäße Regeleinrichtung umfaßt im in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
ein Druckregelventil, um den Mitteldruck MD von dem Hochdruck HD
abzuleiten. Das Druckregelventil 24 ist dazu über eine
eine Drosselstelle 25 aufweisende erste Verbindungsleitung 26 mit
der Hochdrucköffnung 18 bzw.
dem Hochdruckanschluß 17 und über eine
zweite Verbindungsleitung 27 mit der Mitteldrucköffnung 23 verbunden.
Zwischen der ersten Verbindungsleitung 26 und der zweiten
Verbindungsleitung 27 befindet sich ein Ventilschieber 28, der
in seiner rechten Anschlagstellung die Verbindung zwischen der ersten
Verbindungsleitung 26 und der zweiten Verbindungsleitung 27 schließt und bei einer
Verschiebung nach links diese Verbindung freigibt.
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Die Lage des Ventilschiebers 28 wird
bestimmt durch die Druckdifferenz zwischen dem Druck in einer ersten
Ventilkammer 29 und dem Druck in einer zweiten Ventilkammer 30.
Die erste Ventilkammer 29 ist über eine dritte Verbindungsleitung 31 mit der
Mitteldrucköffnung 23 verbunden,
während
die zweite Ventilkammer 30 über die erste Verbindungsleitung 26 mit
der Hochdrucköffnung 18 bzw.
dem Hochdruckanschluß 17 in
Verbindung steht. Der Ventilschieber 28 sperrt die Verbindung
zwischen der Hochdrucköffnung 18 und
der Mitteldrucköffnung 23, wenn
der an der Mitteldrucköffnung
herrschende Mitteldruck multipliziert mit der Fläche A1 des Ventilschiebers 28 an
der ersten Ventilkammer 29 größer ist als der an der Hochdrucköffnung 18 herrschende Hochdruck
HD multipliziert mit der Fläche
A2 des Ventilschiebers 28 an der zweiten Ventilkammer 30. Umgekehrt öffnet der
Ventilschieber 28 diese Verbindung, wenn der Mitteldruck
MD geringer ist. Das Verhältnis
des sich an der Mitteldrucköffnung 23 einstellende
Mitteldruck MD zu dem an der Hochdrucköffnung 18 herrschenden
Hochdruck HD ist daher umgekehrt proportional zu dem Verhältnis der
Flächen A1
und A2.
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Vorzugsweise wird die Fläche A2 doppelt
so groß bemessen
wie die Fläche
A1, so daß der
Mitteldruck MD die Hälfte
des an der Hochdrucköffnung 18 herrschenden
Hochdrucks HD beträgt.
Die Regeleinrichtung umfaßt
in dem in 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel
ferner ein Druckbegrenzungsventil 32 zur Absicherung des
an der Mitteldrucköffnung 23 herrschenden
Mitteldrucks gegenüber
einem durch die verstellbare Feder 33 vorgebbaren Maximaldruck. Überschreitet
der Mitteldruck MD diesen vorgegebenen Maximaldruck, steigt der
Mitteldruck MD auch dann nicht weiter an, wenn sich der Hochdruck HD
an der Hochdrucköffnung 18 weiter
erhöht.
Das Druckbegrenzungsventil 32 kann das Druckfluid in einen
Druckfluidtank 34 und/oder über eine Verbindungsleitung 35 in
die Niederdrucköffnung 19 bzw. den
Niederdruckanschluß 16 ablassen.
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Die Funktion der erfindungsgemäß weitergebildeten
Steuerplatte 8 zusammen mit der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung 24, 32 ist
folgende:
Überschreiten
die Zylinderöffnungen 15 die
Totpunktlage 21, so werden sie nicht sofort mit der Hochdrucköffnung 18 verbunden,
sondern zunächst
mit der Mitteldrucköffnung 23,
an welcher ein vorgegebenes Mitteldruckniveau herrscht, das ein
Druckniveau zwischen dem Niederdruck ND und dem Hochdruck HD hat
und vorzugsweise als arithmetisches Mittel zwischen dem Hochdruck
HD und dem Niederdruck ND bzw. auf die Hälfte des Hochdrucks HD bemessen
ist. Der Wechsel von der Niederdruckseite zu der Hochdruckseite
hin erfolgt daher für
die Zylinderöffnungen 15 in
zwei Drucksprüngen
zunächst
von dem Niederdruckniveau auf das Mitteldruckniveau und dann von
dem Mitteldruckniveau auf das Hochdruckniveau. Durch die Abstufung
dieses Druckwechsels werden die auftretenden Druckpulsationen verringert und
es tritt eine geringere Geräuschentwicklung
auf. Ferner wird möglichen
Kavitationsschädigungen
entgegengewirkt. Der Mitteldruck ist dabei der Höhe nach durch die erfindungsgemäße Regeleinrichtung 24, 32 in
Abhängigkeit
von dem Hochdruck exakt festgelegt und von Leckageverlusten sowie
der Drehzahl der Axialkolbenmaschine 1 weitgehend unabhängig. Die
Höhe des
Mitteldruckniveaus kann daher durch geeignete Dimensionierung des
Druckregelventils 24 optimiert werden. Ferner kann das
Zeitintervall, währenddessen
der Mitteldruck MD auf die Zylinderöffnungen 15 einwirkt,
durch geeignete Bemessung der Länge
der Mitteldrucköffnung 23 optimiert
werden.
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Entsprechend einer Weiterbildung
der Erfindung ist es auch möglich,
anstatt nur einer Mitteldrucköffnung 23 mehrere
zwischen der ersten Totpunktlage 21 und der Hochdrucköffnung 18 versetzt zueinander
angeordnete Mitteldrucköffnungen
vorzusehen, die sich jeweils auf einem anderen Mitteldruckniveau
befinden. Das Mitteldruckniveau der einzelnen Mitteldrucköffnungen
nimmt aber in Drehrichtung von der ersten Totpunktlage 21 zu
der Hochdrucköffnung 18 hin
stetig zu. Vorzugsweise ist die Differenz der Mitteldrücke MD der
einzelnen Mitteldrucköffnungen
untereinander und die Differenz zwischen dem Niederdruck und dem
Druck der ersten Mitteldrucköffnung
sowie zwischen dem Hochdruck und dem Druck der letzten Mitteldrucköffnung jeweils gleich,
so daß die
Drucksprünge äquidistant
sind. Dabei kann jeder Mitteldrucköffnung ein Druckregelventil 24 zugeordnet
sein. Eine Vereinfachung kann darin bestehen, daß nur das Mitteldruckniveau
der der Hochdrucköffnung 18 benachbarten
Mitteldrucköffnung
durch ein Druckregelventil 24 vorgegeben wird und die Druckniveaus
der anderen Mitteldrucköffnungen
jeweils durch eine Drosselstrecke in Abhängigkeit zu dem höchsten Mitteldruckniveau
eingestellt wird.
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Der mittels des Regelventils 24 gewonnene Mitteldruck
MD kann entsprechend einer erfindungsgemäßen Weiterbildung der Erfindung
gleichzeitig zur Versorgung weiterer hydraulischer Aggregate verwendet
werden, die aufgrund ihrer konstruktiven Auslegung nicht zum unmittelbaren
Anschluß an
den Hochdruckanschluß 17 geeignet
sind. Dies ist insbesondere für
Axialkolbenmaschinen 1 mit sehr hohen Arbeitsdrücken vorteilhaft,
da dann der Hochdruck in einem Bereich liegt, der zur Versorgung
für die
hydraulischen Aggregate, insbesondere der Verstellvorrichtung 12 zur
Verstellung des Verdrängungs volumens
der Axialkolbenmaschine 1, nicht unmittelbar verwendet
werden kann. Die Aufgabe der Erzeugung des Mitteldrucks MD für die Mitteldrucköffnung 23 und
der Erzeugung eines geeigneten reduzierten Drucks zur Versorgung
der hydraulischen Aggregate wird dann durch ein einziges Druckregelventil 24 gleichzeitig
erfüllt.
Die Anschlußleitung
für diese
hydraulischen Aggregate, insbesondere für die Verstellvorrichtung 12 der
Axialkolbenmaschine 1 ist in 2 durch
die Leitung 36 veranschaulicht.
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Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Mitteldruck
MD über
das Druckregelventil 24 aus dem Hochdruck HD gewonnen.
Es ist jedoch auch möglich,
den Mitteldruck MD durch einen Fördervorgang
aufzubauen. Dies ist in dem in 3 dargestellten
Ausführungsbeispiel
veranschaulicht. In 3 sind
bereits beschriebene Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen
versehen, so daß sich
insoweit eine wiederholende Beschreibung erübrigt.
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Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird ausgenutzt,
daß bei
Verwendung der Axialkolbenmaschine 1 als Axialkolbenpumpe
die Kolben 5 bei Überschreiten
der ersten Totpunktlage 21 einen Teil des Druckfluids in
die Mitteldrucköffnung 23 drücken. Durch
diesen Fördervorgang
wird in der Mitteldrucköffnung 23 ein
Druck aufgebaut, der durch das Druckbegrenzungsventil 32 auf
den vorgegebenen Mitteldruck reguliert wird. Sobald der Druck an
der Mitteldrucköffnung 23 den
vorgegebenen Mitteldruck MD überschreitet, öffnet das
Druckbegrenzungsventil 32 und läßt solange Druckfluid zu dem Druckfluidtank 34 oder
zu der Niederdrucköffnung 19 hin
ab, bis das Druckniveau an der Mitteldrucköffnung 23 sich wieder
auf den vorgegebenen Mitteldruck MD einstellt.
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Auch bei diesem Ausführungsbeispiel
kann der erzeugte Mitteldruck MD gleichzeitig zur Versorgung von
weiteren hydraulischen Aggregaten, insbesondere der Verstellvorrichtung 12 der
Axialkolbenmaschine 1 dienen. Zur weiteren Absicherung
dieser hydraulischen Aggregate ist in dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel das Druckregelventil 24 vorgesehen,
das den an der Mitteldrucköffnung 23 herrschenden
Mitteldruck MD mit dem an der Hochdrucköffnung 18 herrschenden
Hochdruck HD vergleicht. Überschreitet
der Mitteldruck MD eine vorgegebene Schwelle, die durch das Flächenverhältnis der
beiden Flächen
A1 und A2 vorgegeben ist, so schließt der Ventilschieber 28 und
die zu den versorgenden hydraulischen Aggregaten führende Verbindungsleitung 36.
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4 zeigt
eine weitere Weiterbildung der Erfindung. Zur Verbesserung der Übersichtlichkeit wurde
bei dieser Darstellung die erfindungsgemäße Regeleinrichtung in Form
des Druckregelventils 24 und des Druckbegrenzungsventils 32 der
Einfachheit halber weggelassen. Im übrigen sind bereits beschriebene
Elemente mit übereinstimmenden
Bezugszeichen versehen, um die Zuordnung zu erleichtern.
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Im Unterschied zu dem bereits anhand
der 2 und 3 beschriebenen Ausführungsbeispiel
ist neben der zwischen der ersten Totpunktlage 21 und der
Hochdrucköffnung 18 angeordneten
Mitteldrucköffnung 23 eine
zweite Mitteldrucköffnung 40 vorgesehen,
die zwischen der zweiten, der ersten Totpunktlage 21 gegenüberliegenden
Totpunktlage 22 und der Niederdrucköffnung 19 angeordnet
ist. Das Druckniveau an dieser zweiten Mitteldrucköffnung 40 wird
vorzugsweise ebenfalls auf den arithmetischen Mittelwert zwischen
dem Hochdruck HD und dem Niederdruck ND bzw. auf den halben Hochdruck
HD durch eine nicht dargestellte Regeleinrichtung eingeregelt. Der
Druckwechsel in Richtung von dem Hochdruck HD auf den Niederdruck
ND erfolgt dabei ebenfalls in zwei Stufen, so daß auch einer Geräuschentwicklung
im Bereich dieser Umsteuerung entgegengewirkt wird.
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Entsprechend der in 4 dargestellten Weiterbildung sind die
beiden Mitteldrucköffnungen 23 und 40 durch
eine Verbindungsleitung 41, die vorzugsweise eine Drosselstelle 42 aufweist,
miteinander verbunden. Ferner ist an jeder Mitteldrucköffnung 23 bzw. 40 ein
Druckausgleichsbehälter
oder Druckfluidspeicher 43 bzw. 44 angeschlossen.
Durch die Drossel 42 der Verbindungsleitung 41 und
die Druckausgleichsbehälter 43 und 44 wird
eine Dämpfungseinrichtung
gebildet, wobei die Zeitkonstante der Dämpfungseinrichtung durch das
Produkt aus der Speicherkapazität
der Druckausgleichsbehälter
bzw. Druckfluidspeicherbehälter 43 und 44 und
dem Drosselwiderstand der Drossel 42 festgelegt ist. Diese Zeitkonstante
wird vorzugsweise so ausgelegt, daß eine schnelle Dämpfung der
Druckpulsationen erfolgt.
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5 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäß ausgestalteten
Steuerscheibe 8. Auch hier sind bereits beschriebene Element mit übereinstimmenden
Bezugszeichen versehen.
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Zunächst ist zu bemerken, daß die Hochdrucköffnung 18 durch
mehrere Gitterstege 50 unterteilt ist, um die Festigkeit
der Hochdrucköffnung 18 zu erhöhen. Ferner
weist sowohl die Hochdrucköffnung 18 als
auch die Niederdrucköffnung 19 eine
entgegen der Drehrichtung 38 angeordnete schnabelartige
Nut 51 bzw. 52 auf. Diese Nut 51 bzw. 52 dient
ebenfalls zur Verringerung der Geräuschentwicklung und wirkt einer
Kavitationsschädigung
entgegen.
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Im Hinblick auf die vorliegende Erfindung
besteht die in 5 dargestellte
Weiterbildung darin, daß sowohl
die zwischen der ersten Totpunktlage 21 und der Hochdrucköffnung 18 angeordnete
Mitteldrucköffnung 23 als
auch die zwischen der zweiten Totpunktlage 22 und der Niederdrucköffnung 19 angeordnete
Mitteldrucköffnung 40 gegenüber der Hochdrucköffnung 18 und
der Mitteldrucköffnung 19 radial
nach außen
versetzt sind. In entsprechender Weise ist es selbstverständlich auch
möglich,
die Mitteldrucköffnungen 23 und 40 radial
nach innen zu versetzen. In 5 ist
die Form einer der Zylinderöffnungen 15 in
einer Drehposition gestrichelt eingezeichnet.
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Die Zylinderöffnungen 15 sind bei
dem in 5 dargestellten
Ausführungsbeispiel
im Querschnitt in etwa L-förmig
ausgebildet. Die Zylinderöffnungen 15 weisen
einen ersten Bereich 53, der in geeigneter Drehstellung
mit der Hochdrucköffnung 18 bzw.
der Niederdrucköffnung 19 überlappt
und einen zweiten Bereich 54 auf, der bei geeigneter Drehstellung
mit den Mitteldrucköffnungen 23 und 40 überlappt.
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Die beiden Bereiche 53 und 54 sind
in ihrer Länge
und ihrer Drehwinkelposition unterschiedlich ausgelegt. Die Länge ldes
Bereichs 54 ist daher unabhängig von der Länge L des
Abschnitts 53. Das Zeitintervall, in welchem der Bereich 54 der
Zylinderöffnung 15 mit
den Mitteldrucköffnungen 23 und 40 überlappt,
ist daher unabhängig
von dem Öffnungsquerschnitt
der Zylinderöffnungen 15,
wie er im Überlappungsbereich
der Hochdrucköffnung 18 und
der Niederdrucköffnung 19 benötigt wird,
dimensionierbar. Durch geeignete Dimensionierung der Länge lkann
die Haltezeit, während
der an den Zylinderöffnungen 15 der
Mitteldruck MD herrscht, vorgegeben werden und im Hinblick auf die
Geräuschentwicklung und
die Kavitationsschädigung
optimiert werden.
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Zur besseren Veranschaulichung der
Erfindung zeigt 6 ein
Diagramm, bei welchem der Druck an der Zylinderöffnung 15 beim Wechseln
von Niederdruck ND auf Hochdruck HD als Funktion der Zeit t wiedergegeben
ist. Die Kurve 60 kennzeichnet dabei den konventionellen
Wechsel von der Niederdruckseite zu der Hochdruckseite ohne das
erfindungsgemäße Mitteldruckniveau
MD während
des Zeitintervalls Δt
ND – HD.
Erkennbar sind relativ große
Druckpulsationen nach dem Umsteuern auf den Hochdruck. Der Druckverlauf
an der Zylinderöffnung 15 entsprechend
der erfindungsgemäßen Weiterbildung
ist durch die Kurve 61 veranschaulicht. Nach einer Umsteuerzeit Δt ND – MD wird
das Mitteldruckniveau MD erreicht. Während des Zeitintervalls Δt MD wird
der Druck auf dem Mitteldruckniveau MD gehalten. Während des
Zeitintervalls Δt
MD – HD
erfolgt die Umsteuerung von dem Mitteldruckniveau MD auf den Hochdruck
HD. Wie aus 6 erkennbar,
ist die Druckpulsation aufgrund der kleineren Schrittweite bei der
in zwei Schritten vorgenommenen Umsteuerung wesentlich geringer.
Durch die erfindungsgemäße Weiterbildung
kann daher die Geräuschentwicklung
und die Kavitationsschädigung
wesentlich verringert werden und die Axialkolbenmaschine ist auch für sehr hohe
Arbeitsdrücke
geeignet.