DE19825369A1 - Hydraulische Verdrängermaschine - Google Patents

Abstract

Eine hydraulische Verdrängermaschine mit einem in einem Gehäuse drehbar gelagerten Drehkolben, der mindestens einen in einem mit hydraulischer Flüssigkeit gefüllten Ringspalt ragenden Drehkolbenflügel aufweist und mindestens einen gehäuseseitigen Trennsteg, wobei durch den mindestens einen Drehkolbenflügel einerseits und den mindestens einen Trennsteg andererseits die Saug- und Druckseite gebildet wird, soll derart ausgebildet sein, daß mit einfachen Mitteln hohe Drücke und große Durchflüsse bei einer hochdynamischen Steuerung ermöglicht werden. Hierfür ist der mindestens eine Trennsteg als Aktor (13, 13', 13'', 13''', 16, 16', 16'', 16''') ausgebildet, der derart ansteuerbar ist, daß aufgrund des elektrostriktiven oder magnetostriktiven Effektes der Ringspalt flüssigkeitsdicht abtrennbar oder freigebbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Verdrängermaschine gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Nach dem Verdrängerprinzip arbeitende Flüssigkeitspumpen oder Motore, hier zusammenfassend als hydraulische Verdrängermaschi­ ne bezeichnet, werden in unterschiedlichen Ausführungsformen gebaut, beispielsweise als Flügelpumpen oder Flügelmotoren. Ihnen ist gemeinsam, daß dem durch Trennwände in einem Ringspalt des Gehäuses abgeteilten Raum Flüssigkeit zugeführt oder daraus abgeführt wird, wobei sich das Volumen des abge­ trennten Raumes ändert.

Aus der EP 0 565 741 A1 ist ein hydraulischer Drehzylinder bekannt, der zur Erzeugung eines konstanten, pulsationsfreien Drehmomentes über einen nicht begrenzten Drehwinkel einge­ stellt werden kann. Hierzu weist der Drehzylinder einen in einem Gehäuse abgedichtet drehbar gelagerten Drehkolben mit Drehkolbenflügeln auf. Diese Drehkolbenflügel sind radial aus dem Drehkolben ausfahrbar und zurückziehbar und ragen in Ring­ kammern des Gehäuses. Durch eine Flügelsteuerung werden die Kolbenflügel zurückgezogen, um Trennstege zwischen den Ring­ kammern bei der Drehung zu überwinden. Eine Schwierigkeit die­ ser bekannten steuerbaren hydraulischen Verdrängermaschine besteht darin, daß die Steuervorgänge für viele Anwendungs­ fälle nicht schnell genug ausgeführt werden können. Insbeson­ dere im Bereich von Servoeinrichtungen werden oftmals sehr kurze Steuerzeiten verlangt.

Eine weitere nach dem Verdrängerprinzip arbeitende Flüssig­ keitspumpe oder Flüssigkeitsmotor ist aus der DE 40 03 298 A1 bekannt. Diese hydraulische Verdrängermaschine weist einen Rotor auf, der in einem Gehäuse gelagert ist. Ein mit dem Ro­ tor verbundener Flügel läuft in einer Kammer des Gehäuses um. An den Stirnflächen der Kammer sind Kondensatorplattensegmente angeordnet, die einzeln elektrisch ansteuerbar sind. Die Kam­ mer ist mit elektroviskoser Flüssigkeit gefüllt. Durch Anlegen elektrischer Spannung an die Kondensatorplattensegmente wird innerhalb der Kammer eine Absperrung gebildet, so daß zwischen dem Flügel und der Absperrung die Saug- und die Druckseite der Pumpe gebildet wird. Um die Pump- und Saugwirkung aufrecht zu erhalten, läuft die elektrische Erregung der Kondensatorplat­ tensegmente entsprechend der Drehbewegung des Flügels um. Durch die Verwendung einer elektroviskosen Flüssigkeit als Betriebsflüssigkeit läßt sich ohne weitere bewegte Teile eine bei kontinuierlicher Drehung arbeitende hydrostatische Ver­ drängermaschine verwirklichen, die nahezu verzögerungsfrei gesteuert werden kann. Bei dem Einsatz von elektrorheologi­ schen Flüssigkeiten ist zur Ansteuerung ein aufwendiges Hoch­ spannungsteil erforderlich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine hydrau­ lische Verdrängermaschine derart weiterzubilden, daß mit ein­ fachen Mitteln hohe Drücke und große Durchflüsse bei einer hochdynamischen Steuerung ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der mindestens eine Trennsteg als Aktor ausgebildet ist, der derart ansteuerbar ist, daß aufgrund des elektrostriktiven oder magnetostriktiven Effektes der Ringspalt flüssigkeitsdicht abtrennbar oder frei­ gebbar ist.

Der Aktor kann hierfür beispielsweise als piezoelektrisches Element ausgebildet sein. Bei elektrischer Ansteuerung dehnt sich das Element aus oder zieht sich zusammen. Dieser bekannte Effekt, der als elektrostriktiver Effekt bezeichnet wird, wird bei der vorliegenden Erfindung ausgenutzt, um den Ringspalt abzutrennen oder freizugeben. Das Regelverhalten der erfin­ dungsgemäßen Anordnung ist besonders günstig, da piezoelek­ trische Elemente hochfrequent ansteuerbar sind.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß derartige Aktoren nicht mit Hochspannung angesteuert werden müssen. Aufwendige, aus sicherheitstechnischen Gründen vorgesehen Abschirmungen können daher entfallen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand weiterer Unteransprüche. Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind. Es zeigt:

Fig. 1a, Fig. 1b jeweils einen Querschnitt einer hydrau­ lischen Verdrängermaschine in einer Aus­ führung als Flügelpumpe in unterschiedli­ chen Positionen des Rotors

Fig. 2 einen Axialschnitt der hydraulischen Ver­ drängermaschine

Fig. 3a, Fig. 3b jeweils einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform einer hydraulischen Ver­ drängermaschine als Flügelpumpe in unter­ schiedlichen Positionen des Rotors.

Die in den Fig. 1a, 1b und Fig. 2 dargestellte Verdränger­ maschine 1 wird nachstehend bei Pumpbetrieb erläutert. Die Verdrängermaschine kann auch als Motor betrieben werden. In einem zylindrischen Gehäuse 2 ist ein Drehkolben 3 um die Achse A drehbar und abgedichtet gelagert. Der Drehkolben 3 weist zwei gegenüberliegend angeordnete radiale Vorsprünge auf, die als Drehkolbenflügel 4 wirken und dichtend an einer inneren Mantelfläche 2" des Gehäuses 2 anliegen. Im Gehäuse 2 wird ein Ringspalt 5 durch die innere Mantelfläche 2" des Gehäuses und die Mantelfläche 2' des Drehkolbens 3 gebildet. Die Dreh­ kolbenflügel 4 laufen bei Rotation des Drehkolbens 3, der vor­ zugsweise über einen nicht dargestellten Motor angetrieben wird, in dem Ringspalt 5 um. Die Umdrehungsrichtung ist durch den Pfeil 6 dargestellt.

Eine Saugleitung 7 führt von einem nicht dargestellten Flüs­ sigkeitsvorratsbehälter durch das Gehäuse 2 zu einer Ringnut 8 des Drehkolbens 3, aus der ein Kanal 9 zu jeweils einer Mün­ dung an der Rückseite jedes Drehkolbenflügels 4 führt. Von der Vorderseite (in Umdrehungsrichtung gesehen) jedes Drehkolben­ flügels 4 führt jeweils ein Kanal 10 durch den Drehkolben 3 zu einer weiteren Ringnut 11, von der eine Flüssigkeitsableitung 12 durch das Gehäuse 2 zu einem nicht dargestellten Verbrau­ cher führt. Als Druckmittel kann eine beliebige hydraulische Flüssigkeit eingesetzt werden.

Der Ringspalt 5 kann durch vier Aktoren 13, 13', 13", 13''', die den Ringspalt 5 in vier Druckmittelräume unterteilen kön­ nen, flüssigkeitsdicht abgetrennt werden. Die Aktoren 13, 13', 13", 13''' sind beispielsweise als Stapel von scheibenförmig, hintereinander geschalteten piezoelektrischen Elementen, die elektrisch ansteuerbar sind, ausgebildet. Auf eine Darstellung der elektrischen Ansteuerung der piezoelektrischen Elemente in den Zeichnungen wurde der Einfachheit halber verzichtet.

Die Stapel scheibenförmig, hintereinander geschalteter piezo­ elektrischer Elemente 13, 13', 13", 13''' sind derart im Ge­ häuse 2 angeordnet, daß sie bei unterschiedlicher elektrischer Ansteuerung, unter Ausnutzung des elektrostriktiven Effektes um das Maß t der axialen Spaltbreite des Ringspaltes 5 axial ausdehnbar und zurückziehbar sind. Die Aktoren 13, 13', 13", 13''' könnten auch unter Ausnutzung des magnetostriktiven Ef­ fektes ausdehnbar und zusammenziehbar ausgebildet sein. Die Aktoren 13, 13', 13", 13''' können somit als Trennstege den Ringspalt 5 flüssigkeitsdicht abtrennen und auch wieder frei­ geben. Fig. 1a zeigt die als Trennstege wirkenden Aktoren 13, 13', 13", 13''', d. h. die Stapel piezoelektrischer Elemente sind maximal ausgedehnt und unterteilen den Ringspalt 5 in vier Druckmittelräume.

Bei einer Drehung des Drehkolbens 3 und der mit dem Drehkolben 3 verbundenen Drehkolbenflügel 4 in Richtung des Pfeiles 6, sind jeweils die Druckmittelräume, in die die Drehkolbenflügel 4 ragen, in zwei voneinander abgedichtete volumenveränderliche Arbeitskammern 15, 15' unterteilt. Die sich bewegenden Dreh­ kolbenflügel 4 saugen somit an ihren Rückseiten Flüssigkeit aus der Saugleitung 7, 8, 9 an und verdichten an ihren Vorder­ seiten die Flüssigkeit, die durch die Kanäle 10, die Ringnut 11 und die Flüssigkeitsableitung 12 zum Verbraucher gedrückt wird.

Die Aktoren 13, 13', 13", 13''' sind paarweise gegenüberlie­ gend ansteuerbar ausgebildet und werden bei Annäherung der Drehkolbenflügel 4 an die Aktoren 13', 13''' derart angesteu­ ert, daß sich die Stapel piezoelektrischer Elemente zusammen­ ziehen und der Ringspalt 5 frei ist (Darstellung Fig. 1b). In dieser Stellung, die in Fig. 1b dargestellt ist, können die Drehkolbenflügel 4 die Aktoren 13', 13''' ungehindert passie­ ren. Danach werden die Aktoren 13', 13''' derart angesteuert, daß sich die Stapel piezoelektrischer Elemente wieder maximal ausdehnen und somit der Ringspalt 5 wieder flüssigkeitsdicht unterteilt wird.

Die Fig. 3a und 3b zeigen eine weitere Ausführungsform ei­ ner hydraulischen Verdrängermaschine. Diese hydraulische Ver­ drängermaschine unterscheidet sich gegenüber der vorstehend erläuterten Ausführungsform in der Anordnung und Wirkungsrich­ tung der Aktoren 16, 16', 16", 16'''. Wie es aus den Fig. 3a und 3b ersichtlich ist, sind die Stapel piezoelektrischer Elemente in entsprechenden radial ins Gehäuse 2 eingebrachten Ausnehmungen eingesetzt. Die Aktoren 16, 16', 16", 16''' sind derart ansteuerbar ausgebildet, daß sie um das Maß t der ra­ dialen Tiefe des Ringspaltes 5 ausdehnbar und zusammenziehbar sind. In der Darstellung gemäß Fig. 3a sind die Aktoren 16', 16''' maximal ausgedehnt und wirken somit als Trennstege. Die Aktoren 16, 16" sind maximal zurückgezogen, so daß der Ring­ spalt 5 frei ist. In der Darstellung gemäß Fig. 3b sind alle Aktoren 16, 16', 16", 16''' maximal ausgedehnt. Der prinzi­ pielle Aufbau der Verdrängermaschine und die Arbeitsweise ent­ spricht dem Aufbau und der Arbeitsweise der Verdrängermaschine gemäß der Fig. 1a, 1b und 2. Gleiche in den Figuren dar­ gestellte Bezugszeichen entsprechen gleichen im Text erläuter­ ten Teilen.

Claims (6)

1. Hydraulische Verdrängermaschine mit einem in einem Gehäu­ se drehbar gelagerten Drehkolben, der mindestens einen in einem mit hydraulischer Flüssigkeit gefüllten Ringspalt ragenden Drehkolbenflügel aufweist und mindestens einen gehäuseseitigen Trennsteg, wobei durch den mindestens einen Drehkolbenflügel einerseits und den mindestens ei­ nen Trennsteg andererseits die Saug- und Druckseite ge­ bildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Trennsteg als Aktor (13, 13', 13", 13''', 16, 16', 16", 16''') ausgebildet ist, der derart ansteuerbar ist, daß aufgrund des elektrostriktiven oder magnetostriktiven Effektes der Ringspalt flüssigkeitsdicht abtrennbar oder freigebbar ist.

2. Hydraulische Verdrängermaschine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehkolben (3) zwei radial gegenüberliegende Drehkolbenflügel (4) aufweist und der Ringspalt (5) durch vier Aktoren (13, 13', 13", 13''', 16, 16', 16", 16''') abtrennbar ist.

3. Hydraulische Verdrängermaschine nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüberliegenden Akto­ ren (16/16", 16'/16''', 13/13", 13'/13''') paarweise ansteuerbar ausgebildet sind.

4. Hydraulische Verdrängermaschine nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor (13, 23', 23", 13''', 16, 16', 16", 16''') aus einem Stapel piezoelektrischer Elemente besteht.

5. Hydraulische Verdrängermaschine nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor (13, 13', 13", 13''', 16, 16', 16", 26''') unter Aus­ nutzung des elektrostriktiven Effektes um das Maß der axialen Spaltbreite des Ringspaltes (5) axial ausdehnbar und zurückziehbar ist.

5. Hydraulische Verdrängermaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Aktoren (13, 13', 13", 23''', 16, 16', 16", 16''') unter Ausnutzung des eletrostriktiven Effek­ tes um das Maß t der radialen Tiefe des Ringspaltes (5) radial ausdehnbar und zurückziehbar sind.