DE19852246B4 - Hydraulische Maschine - Google Patents

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Abstract

Hydraulische Maschine, insbesondere Axialkolbenmaschine, mit einem Gehäuse, in dem eine Welle (1) drehbar gelagert und durch einen Dichtring (3) abgedichtet ist, der in einem Ringspalt (6a) zwischen der Welle (1) und einer Gehäusewand (2) angeordnet ist und mit seinem Innenrand die Welle (1) berührt,
wobei der Innenseite (3a) des Dichtrings (3) axial beabstandet eine Ringschulterfläche (14) an der Welle (1) gegenüberliegt,
und wobei die Ringschulterfläche (14) bezüglich einer die Innenseite (3a) des Dichtrings (3) enthaltenen Radialebene radial auswärts divergent verläuft,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ringschulterfläche (14) im axialen Querschnitt konvex gerundet ist und sich an die Ringschulterfläche (14) axial nach innen eine zylindrische Mantelfläche an der Welle (1) anschließt, die einen freien Innenraumabschnitt des Gehäuses begrenzt.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine hydraulische Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder 2
  • Bei einer in der DE 196 13 609 A1 beschriebenen bekannten hydraulischen Maschine handelt es sich um eine Axialkolbenmaschine mit einer Welle, die mittels eines Wälzlagers in einer Gehäusewand des Gehäuses der hydraulischen Maschine gelagert und mittels eines außenseitig vom Wälzlager in einer Ringfuge zwischen der Welle und der Gehäusewand angeordneten Dichtringes abgedichtet ist. Bei dieser bekannten hydraulischen Maschine ist außerdem eine Pumpeneinrichtung für eine interne Zwangsspülung des Wälzlagers vorgesehen. Die Pumpeneinrichtung weist eine an der Innenseite des Wälzlagers angeordnete Förderscheibe auf, die dem Ringspalt des Wälzlagers axial gegenüberliegend Durchgangslöcher aufweist, die sich bezüglich der Drehachse der Welle in Richtung auf das Wälzlager divergent erstrecken. Hierdurch wirkt die Förderscheibe, die im Funktionsbetrieb sich wenigstens teilweise im hydraulischen Betriebs-Fluid, z. B. Schmieröl, befindet, wie ein Fliehkraft-Förderring, der das in den sich divergent erstreckenden Durchgangslöchern befindliche Fluid aufgrund der Fliehkraft in Richtung auf das Wälzlager fördert. Auf der der Förderscheibe abgewandten Seite des Wälzlagers ist ein Rückführungskanal vorgesehen, der sich in den Innenraum des Gehäuses zurückerstreckt und in dem das geförderte Schmieröl in den Innenraum zurückströmen kann.
  • Bei dieser bekannten Axialkolbenmaschine erstreckt sich die Strömung der Zwangsspülung vom äußeren Ringspalt des Wälzlagers durch radial nach außen gerichtete Kanäle von einem Ringraum etwa radial nach außen, wobei das geförderte Spülöl den Ringraum quer durchströmt.
  • Der Innenrand des Dichtrings und die Mantelfläche der Welle bilden eine ringförmige Ecke, in deren Bereich aufgrund mangelnder Strömung kaum ein Austausch des hydraulischen Fluids stattfindet und deshalb sich in diesem Eckenbereich Festkörperverschmutzungen anhäufen. Die Folge davon ist eine Beeinträchtigung der Dichtfunktion des Dichtrings und frühzeitiger Verschleiß. Im Fachjargon spricht man von solchen strömungsarmen Bereichen von einem Todwassergebiet.
  • In der DE-AS 11 09 035 ist eine Axialkolbenmaschine beschrieben, deren Triebwelle einen zylindrischen Lagerabschnitt aufweist, auf dem der Innenring eines Wälzlagers sitzt. Vom Lagerabschnitt erstreckt sich koaxial ein Triebzapfen, der eine Stirnwand eines Gehäuses in einem Durchgangsloch durchsetzt und darin durch einen Dichtungsring mit einer nach innen weisenden Dichtungslippe abgedichtet ist. Zwischen dem Lagerabschnitt und dem Triebzapfen ist die Triebwelle kegelabschnittförmig verjüngt.
  • In der DE 39 26 354 C2 ist ein Radialkolbenmotor beschrieben, dessen Triebwelle durch zwei einen axialen Abstand voneinander aufweisende Wälzlager im Durchgangsloch einer Stirnwand eines zugehörigen Gehäuses drehbar gelagert ist. Zwischen den beiden Wälzlagern ist ein Dichtring mit einer nach innen weisenden und auf der Triebwelle gleitend sitzenden Dichtlippe angeordnet, wobei der Dichtlippe innenseitig und axial beabstandet die radiale Stirnfläche des Innenrings des inneren Wälzlagers gegenüberliegt.
  • Aus DE 28 41 084 A1 ist eine Axialkolbenpumpe zu entnehmen, deren Triebwelle eine Gehäusewand eines zugehörigen Gehäuses in einem Durchgangsloch durchsetzt und daran durch einen Dichtring mit nach innen weisender Dichtlippe abgedichtet ist. Die Innenseite der Stirnwand ist hohlkegelförmig geformt, wobei dem Dichtring und der Innenseite der Stirnwand ein gestuft geformter Befestigungsring in einem axialen Abstand gegenüberliegt, der auf der Triebwelle sitzt und einen Innenring eines Wälzlagers auf der Triebwelle sichert. Der Sicherungsring ist an seinem Umfang Z-förmig mit axialen und radialen Flächen gestuft.
  • DE 40 29 510 A1 offenbart eine Axialkolbenpumpe mit einer Triebwelle, an der eine Taumelscheibe als Antriebselement für die Kolben ausgebildet ist. Die Triebwelle ist an ihrem einen Ende durch ein Wälzlager im Gehäuse der Axialkolbenpumpe gelagert, dessen Innenring auf einem zylindrischen Lagerabschnitt der Triebwelle sitzt und dessen Außenring an einer zugehörigen Stirnwand anliegt, die ein sich koaxial vom Lagerabschnitt erstreckender Triebzapfen in einem Durchgangsloch durchsetzt und darin durch einen Dichtring abgedichtet ist. Der Triebzapfen ist bezüglich des Lagerabschnitts im Durchmesser verjüngt, wobei eine so gebildete Schulterfläche der Triebwelle und die zugehörige Stirnfläche des Innenrings des Wälzlagers einen kleinen axialen Abstand von der Innenseite der Stirnwand aufweisen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydraulische Maschine der eingangs angegebenen Arten so auszugestalten, daß die Gefahr einer Festkörperverschmutzung im Eckenbereich zwischen dem Innenrand des Dichtrings und der Mantelfläche der Welle verringert ist.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 oder 2 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung nach dem Anspruch 1, der gegen den Stand der Technik gemäß DE-AS 11 09 035 abgegrenzt ist, ist die Ringschulterfläche im Axialquerschnitt konvex gerundet, wobei sich an die Ringschulterfläche axial nach innen eine zylindrische Mantelfläche an der Welle anschließt, die einen freien Innenraumabschnitt des Gehäuses begrenzt.
  • Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung nach Anspruch 2, der gegen den Stand der Technik gemäß DE 39 26 354 C2 abgegrenzt ist, ist das die Ringschulterfläche aufweisende Bauteil durch den Innenring eines Wälzlagers gebildet, wobei die Ringschulterfläche bezüglich einer die Innenseite des Dichtrings enthaltenden Radialebene radial auswärts divergent verläuft und der Innenring den Außenring des Wälzlagers axial überragt.
  • Bei beiden erfindungsgemäßen Ausgestaltungen ist eine Ringschulterfläche an der Welle oder am Innenring des Wälzlagers in einem geringen axialen Abstand vom Dichtring angeordnet. Dabei liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß die Ringschulterfläche im Funktionsbetrieb aufgrund ihrer Rotation und ihrer Benetzung mit dem hydraulischen Fluid eine radial auswärts gerichtete Strömung im benachbarten Fluid erzeugt, die aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltungen im Bereich der Innenseite des Dichtrings eine intensive radial einwärts gerichtete Strömung im Fluid hervorruft. Deshalb findet bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung im Funktionsbetrieb der hydraulischen Maschine eine intensive kontinuierliche Strömung im Eckenbereich zwischen dem Dichtring und der Mantelfläche der Welle statt, die ein Ansetzen von Festkörperverschmutzungen im Bereich des Innenrandes des Dichtrings bzw. dessen Dichtkante verhindert oder zumindest verringert.
  • Der Erfindung liegt im weiteren die Erkenntnis zugrunde, daß die zuvor beschriebene Strömung im vorliegenden Zusammenhang dann besonders wirksam ist, wenn der im Kennzeichen des Anspruchs 3 angegebene axiale Abstand gewährleistet ist. Wenn dieser axiale Abstand größer ist, ist das Volumen des Fluids zwischen dem Dichtring und der Ringschulterfläche so groß, daß die sich am Dichtring einstellende radial einwärts gerichtete Strömung zu gering ist, um eine wirksame Spülung zu erzeugen. Im Gegensatz dazu vergrößert sich die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids, wenn der axiale Abstand kleiner ist als die Hälfte der radialen Abmessung des Dichtrings zwischen seinem Innenrand und seinem Außenrand.
  • Im Rahmen der Erfindung erstreckt die Ringschulterfläche sich somit divergent, so daß auch der Abstand zum Dichtring radial nach außen divergiert. Dabei ist der Innenring des Wälzlagers bezüglich des Außenrings axial verbreitert, und es kann die Ringschulterfläche kegelförmig oder konkav oder konvex gerundet sein.
  • Nachfolgend werden die Erfindung und weitere durch sie erzielbare Vorteile anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen und vereinfachten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
  • 1 einen axialen Teilschnitt im Bereich einer bekannten Dichtungsanordnung zwischen der Welle und einer sie lagernden Gehäusewand einer hydraulischen Maschine, insbesondere einer Axialkolbenmaschine;
  • 2 eine Ringschulterfläche in erster erfindungsgemäßer Ausgestaltung;
  • 3 eine an einem Innenring eines Wälzlagers angeordnete zweite erfindungsgemäße Ringschulterfläche.
  • Von der Axialkolbenmaschine sind in 1 lediglich die Welle 1, eine die Welle 1 lagernde Gehäusewand 2 und ein Dichtring 3 dargestellt, der im Ringspalt 6a zwischen der Welle 1 und der Lochwandung 5 eines Loches 6 in der Gehäusewand 2 angeordnet ist. Innenseitig von der Gehäusewand 2 bzw. vom Dichtring 3 befindet sich ein geschlossener Gehäuseinnenraum 7, in dem ein Zylinderkörper gelagert ist, der um die Drehachse 8 der Welle 2 verteilt Zylinderräume mit darin hin- und herbewegbaren Kolben aufweist, die sich über Gleitkörper an einem gegebenenfalls schwenkbar gelagerten Schrägscheibenkörper abstützen. Die vorgenannten Teile der Axialkolbenmaschine sind allgemein bekannt und brauchen im vorliegenden Zusammenhang nicht weiter erklärt zu werden. Bei der Axialkolbenmaschine kann es sich um eine Schrägscheiben- oder Schiefachsenmaschine handeln.
  • Der Gehäuseinnenraum 7 ist ständig teilweise mit dem Betriebsfluid der Axialkolbenmaschine, insbesondere Hydrauliköl gefüllt, wobei es sich vorzugsweise um sogenanntes Leckfluid handelt, das unter Niederdruck steht. Das nur in 6 dargestellt Wälzlager 9 ist für das Betriebsfluid im Bereich seines die Wälzkörper 9a aufnehmenden Ringspaltes 9b durchlässig, so daß das Betriebsfluid auch zum Dichtring 3 gelangt, um diesen zu schmieren und zu kühlen.
  • Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Dichtring 3 eine von seinem Basiskörper in Form eines Basisrings 4a axial nach innen abstehende ringförmige Dichtlippe 4b auf, die dichtend mit der Mantelfläche 1a eines im Bereich des Dichtrings 3 zylindrischen Wellenabschnitts 1b zusammenwirkt und durch eine am Umfang der Dichtlippe 4b in einer Ringnut gelagerte Ringfeder 4c gegen die eine Dichtfläche bildende Mantelfläche 1a beaufschlagt ist. An der Außenseite des Basisrings 4a kann eine nach außen abstehende Schutzlippe 4d vorgesehen sein, die insbesondere als Schmutzabweiser dienen kann. Der scheibenförmige Basisring 4a kann mit einem hohlzylindrischen Ringschenkel 4e an seinem Außenrand winkelförmig geformt sein, der vorzugsweise an der Innenseite angeordnet ist und somit nach innen weist. Zur außenseitigen Begrenzung des Dichtrings 3 im Loch 6 kann ein Federring 11 dienen, der in einer Ringnut 12 in der Lochwandung 5 eingesetzt ist. In der Montagestellung des Dichtrings 3 schließt der Basisring 4a bzw. hier der Ringschenkel 4e innenseitig mit einem radialen Gehäusewandabschnitt 2a ab, der Teil einer das Wälzlager 9 aufnehmenden und lagernden Ausnehmung 13 (6) sein kann.
  • Der Innenseite des Dichtrings 3 gegenüberliegend befindet sich an der Welle 1 eine dem Dichtring 3 zugewandte Ringschulterfläche 14, die sich bei den Ausführungsbeispielen nach 1-4 an einem einteilig an die Welle 1 angeformten Ringansatz 15 angeordnet ist, der eine Durchmesservergrößerung bildet. Die radiale Abmessung a des Ringansatzes 15 bzw. der Ringschulterfläche 14 ist vorzugsweise größer bemessen, als die Hälfte der radialen Abmessung b zwischen seinem Innenrand 4f bzw. der Dichtlippe 4b und dem Außenrand 4g des Basisrings 4a. Infolgedessen erstreckt sich die Ringschulterfläche 14 bis in den äußeren Bereich des Basisrings 4a, hier bis in die Höhe des Ringschenkels 4e. Der axiale Abstand c des Fußbereichs der Ringschulterfläche 14 vom Dichtring 3, hier insbesondere von der Dichtlippe 4b, ist gleich oder kleiner bemessen als die Hälfte der radialen Abmessung b, also c <= b/2. Bei der vorliegenden Ausgestaltung beträgt der Abstand c etwa b/4. Es ist vorteilhaft, einen Minimalabstand c von 1 bis 2 mm zu belassen.
  • Bei den Ausgestaltungen gemäß 1, 2 sowie 3 ist die Ringschulterfläche bezüglich der Innenseite 3a des Dichtrings 3 divergent geformt, wobei sie sich an einer gedachten axialen Mantellinie 16 gemäß 1 gerade und gemäß 2 konvex gerundet erstreckt. Der Winkel W zwischen der radialen Innenseite 3a und der Ringschulterfläche 14 kann bis etwa 50° betragen und beträgt bei den Ausführungsbeispielen nach 1 und 2 etwa 10°.
  • Bei der Ausgestaltung gemäß 3 befindet sich die Ringschulterfläche 14 an einem zusätzlichen Ringbauteil, das auf der Welle 1 sitzt und darauf befestigt ist, z. B. durch Press-Sitz, durch Schrumpfen oder durch Kleben. Bei der Ausgestaltung gemäß 3 ist die sich an der Mantellinie gerade erstreckende Ringschulterfläche 14 z. B. schräg bzw. kegelförmig an der zugewandten Stirnseite 18 des Innenrings 9c des Wälzlagers 9 ausgebildet. Bei dieser Ausgestaltung bedarf es weder eines Wellenansatzes noch eines zusätzlichen Bauteils.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung der Ringschulterfläche 14 führt im Funktionsbetrieb der Axialkolbenmaschine zu einer Strömung des Betriebsfluids und somit zu einer Spülung im Bereich der von der Dichtlippe 4b und der Mantelfläche 1a der Welle 1 begrenzte Ecke 19. Die Strömung beruht auf folgender Funktion. Im Rotationsbetrieb der Welle erfolgt aufgrund der Benetzung der Ringschulterfläche 14 mit dem Betriebsfluid eine Drehmitnahme des Betriebsfluids im Bereich einer mit der Ringschulterfläche 14 in Benetzungskontakt stehenden Fluidschicht. Gleichzeitig wird der an der Drehung teilnehmenden Fluidschicht aufgrund einer sich selbsttätig einstellenden Fliehkraft eine radial auswärts gerichtete Kraft übertragen, die eine in der Drehrichtung und radial auswärts gerichteten resultierenden Strömung bewirkt. Diese in 1 mit der Pfeillinie 21 verdeutlichte Strömung verursacht an der Innenseite des Dichtrings 3 eine radial einwärts gerichtete Strömung 22, die selbsttätig nachströmt und sich bis zur Welle 1 und somit auch bis in die Ecke 19 erstreckt und dort bei Ausführung einer Wende in die Strömung 21 übergeht. Aufgrund dieser Strömungen wird die Ecke 19 gespült, so daß sich Festkörperverschmutzungen weniger leicht am Dichtring 3 bzw. an der Dichtlippe 4d absetzen können, und außerdem findet eine verbesserte Kühlung des Dichtrings 3 statt.
  • Besonders vorteilhaft erweist sich eine Ringschulterfläche 14, die bezüglich der radialen Innenseite 3a des Dichtrings 3 sich radial auswärts divergent erstreckt. Bei einer solchen Formgebung wird eine intensivere Strömung 21, 22 erreicht. Dies ist darauf zurückzuführen, daß aufgrund der Divergenz der Strömungsrichtungen die Strömungen 21, 22 sich weniger behindern und deshalb die durch die Flüssigkeitsreibung an der Ringschulterfläche 14 aufgebrachte Strömungsantriebsleistung besser ausgenutzt werden kann. Zu vergleichbaren Vorteilen führen auch die Ausgestaltungen der übrigen Figuren.
  • In 1 sind die Strömungen 21, 22 vereinfacht als radial einwärts und radial schräg auswärts gerichtete Strömungen dargestellt. Aufgrund der Rotation der Welle 1 ergeben sich tatsächlich – längs der Drehachse 8 gesehen – spiralförmige Strömungsbewegungen.

Claims (5)

  1. Hydraulische Maschine, insbesondere Axialkolbenmaschine, mit einem Gehäuse, in dem eine Welle (1) drehbar gelagert und durch einen Dichtring (3) abgedichtet ist, der in einem Ringspalt (6a) zwischen der Welle (1) und einer Gehäusewand (2) angeordnet ist und mit seinem Innenrand die Welle (1) berührt, wobei der Innenseite (3a) des Dichtrings (3) axial beabstandet eine Ringschulterfläche (14) an der Welle (1) gegenüberliegt, und wobei die Ringschulterfläche (14) bezüglich einer die Innenseite (3a) des Dichtrings (3) enthaltenen Radialebene radial auswärts divergent verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringschulterfläche (14) im axialen Querschnitt konvex gerundet ist und sich an die Ringschulterfläche (14) axial nach innen eine zylindrische Mantelfläche an der Welle (1) anschließt, die einen freien Innenraumabschnitt des Gehäuses begrenzt.
  2. Hydraulische Maschine, insbesondere Axialkolbenmaschine, mit einem Gehäuse, in dem eine Welle (1) drehbar gelagert und durch einen Dichtring (3) abgedichtet ist, der in einem Ringspalt (6a) zwischen der Welle (1) und einer Gehäusewand (2) angeordnet ist und mit seinem Innenrand die Welle (1) berührt, wobei der Innenseite (3a) des Dichtrings (3) axial beabstandet eine Ringschulterfläche (14) an einem mit der Welle (1) drehenden Bauteil gegenüberliegt, und wobei das Bauteil durch den Innenring (9c) eines Wälzlagers (9) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringschulterfläche (14) bezüglich einer die Innenseite (3a) des Dichtrings (3) enthaltenden Radialebene radial auswärts divergent verläuft und der Innenring (9c) den Außenring des Wälzlagers (9) axial überragt.
  3. Hydraulische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (c) der Ringschulterfläche (14) vom Dichtring (3) kleiner ist als die halbe radiale Abmessung (b) des Dichtrings (3) zwischen seinem Innenrand (4f) und seinem Außenrand (4g).
  4. Hydraulische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringschulterfläche (14) im axialen Querschnitt konkav gerundet ist.
  5. Hydraulische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringschulterfläche (14) im axialen Querschnitt konvex gerundet ist.
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