DE19854415A1 - Wellenloser Axialkolbenmotor - Google Patents

Abstract

Ein Axialkolbenmotor in Schrägscheibenbauweise, insbesondere ein Radmotor, besteht aus einem feststehenden Trägerteil (1), das eine Schrägscheibe (8) und eine Steuerfläche (10) enthält, einem rotierenden Abtriebsteil (4), in das eine Zylindertrommel (5) integriert ist, und gemeinsamen Lagern (3a, 3b) für die Lagerung der Zylindertrommel (5) und des Trägerteils (4). Erfindungsgemäß sind zur Reduzierung der Abmessungen des Axialkolbenmotors die Lager (3a, 3b) radial zwischen der Zylindertrommel (5) und einer mit dem Trägerteil (1) verbundenen, die Zylindertrommel (5) umgebenden Lagerbuchse (2) angeordnet. Die bevorzugt als Wälzlager ausgebildeten Lager (3a, 3b) nehmen sowohl die äußeren Kräfte (Radlasten) als auch die Triebwerkskräfte auf.

Description

Die Erfindung betrifft einen Axialkolbenmotor in Schrägscheibenbauweise, insbeson­ dere Radmotor, mit einem feststehenden Trägerteil, das eine Schrägscheibe und eine Steuerfläche enthält, und einem rotierenden Abtriebsteil, in das eine Zylindertrommel integriert ist, und gemeinsamen Lagern für die Lagerung der Zylindertrommel und des Trägerteils.

Ein gattungsgemäßer Axialkolbenmotor, bei dem die Zylindertrommel unter Verzicht auf die Zwischenschaltung einer Abtriebswelle direkt als Abtriebsteil wirkt (deshalb kann man einen solchen Axialkolbenmotor auch als "wellenlos" bezeichnen), ist aus der DE 196 42 022 A1 bekannt. Dieser Axialkolbenmotor besteht aus nur wenigen Einzelteilen. Bei dem bekannten Axialkolbenmotor werden die Radlasten über einen Achszapfen in das feststehende Trägerteil eingeleitet. Die Radlasten bestimmen den Durchmesser des Achszapfens und damit die Mindestabmessungen der Zylinder­ trommel und des Axialkolbenmotors in radialer Richtung.

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, einen gattungsgemäßen Axialkolbenmotor zur Verfügung zu stellen, dessen Zylinder­ trommel mit kleineren radialen Abmessungen ausgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Lager radial zwischen der Zylindertrommel und einer mit dem Trägerteil verbundenen, die Zylindertrommel umgebenden Lagerbuchse angeordnet sind.

Der erfindungswesentliche Gedanke besteht demzufolge darin, eine Außenlagerung der Zylindertrommel in einer Lagerbuchse vorzusehen. Eine solche Anordnung erlaubt es, die Abmessungen der Zylindertrommel und des Axialkolbenmotors in radialer Richtung zu reduzieren, wodurch sich das Gewicht der Zylindertrommel und des ge­ samten Triebwerks deutlich verringern. Ein erfindungsgemäß ausgestalteter Axial­ kolbenmotor weist daher gegenüber dem eingangs beschriebenen Axialkolbenmotor eine höhere Dynamik auf und kann mit höheren Drehzahlen betrieben werden. Darüber hinaus sinken aufgrund der reduzierten Abmessungen die Herstellkosten. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Axialkolbenmotors lassen sich sehr kleine Baueinheiten herstellen. Es ist jedoch auch möglich, den durch den Wegfall des Achszapfens und der darauf angeordneten "inneren" Lager gewonnenen Raum nicht zur Größenreduzierung der Zylindertrommel sondern anderweitig zu nutzen.

Der radial innerhalb der Zylinderbohrungen in der Zylindertrommel zur Verfügung stehende Raum, der bei dem bekannten Axialkolbenmotor des Standes der Technik für den Achszapfen und die Lager benötigt wird und deshalb in einer bestimmten Mindestgröße des Axialkolbenmotors resultiert, kann beispielsweise dazu benutzt werden, um dort eine Vorrichtung zur Kompensation der Triebwerkskräfte (Axialkräfte) des Axialkolbenmotors unterzubringen, wie sie in der eingangs genannten Druck­ schrift DE 196 42 022 A1 beschrieben ist. Da eine solche Vorrichtung - für sich genommen - erheblich weniger Platz benötigt als ein Achszapfen zur Aufnahme der Radlasten, kann die Zylindertrommel dennoch kleiner hergestellt werden.

Sofern die Triebwerkskräfte bestimmte Größenordnungen nicht überschreiten, ist es jedoch erheblich vorteilhafter, wenn die Lager zur Aufnahme sowohl der äußeren Kräfte (Radlasten) als auch der Triebwerkskräfte ausgebildet sind. Eine Kompen­ sationseinrichtung für die Triebwerkskräfte kann dann entfallen.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Schräg­ scheibe derart angeordnet ist, daß die Radialkomponenten der Triebwerkskräfte im Betriebszustand den Radlasten entgegengerichtet wirksam sind. Die Lager werden demzufolge von den Radlasten entlastet. Es ergibt sich eine Verringerung der durch vertikale Kräfte hervorgerufenen Lagerbelastung, wodurch sich die Lebensdauer der Lager beträchtlich erhöht.

Zweckmäßigerweise bestehen die Lager aus zwei Schrägwälzlagern in O-Anordnung, insbesondere Kegelrollenlagern.

Der erfindungsgemäße Axialkolbenmotor kann sowohl mit konstantem als auch mit verstellbarem Schluckvolumen ausgeführt werden.

Fertigungstechnisch günstig ist eine Anordnung, bei der eine ringscheibenförmige, drehsynchron mit der Zylindertrommel gekoppelte Schrägscheibe vorgesehen ist, die gegen die Steuerfläche des Axialkolbenmotors anliegt und mit Durchgangsöffnungen zur Verbindung von Zylinderbohrungen der Zylindertrommel mit Druckanschlüssen des Axialkolbenmotors versehen ist.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Schräg­ scheibe eine zur Abstützung von Hubkolben vorgesehene Lauffläche aufweist, die mit einer konkaven, insbesondere sphärischen Krümmung versehen ist. Eine solche Form der Lauffläche bewirkt, daß die Kolbenquerkraft (Radialkraft), die auf den am weites­ ten aus seiner Zylinderbohrung ausgetauchten und unter Betriebsdruck stehenden Hubkolben wirkt und die sich aus der Kraftzerlegung an der Abstützung des Hubkol­ bens an der Lauffläche der Schrägscheibe ergibt, nicht allein vom Neigungswinkel der Schrägscheibe bestimmt wird, sondern auch von der Krümmung der Lauffläche. Es ergibt sich daher unter Einbeziehung der Krümmung der Lauffläche ein gegenüber dem Neigungswinkel der Schrägscheibe kleinerer Abstützwinkel des Hubkolbens auf der Lauffläche der Schrägscheibe.

Infolgedessen ist bei gegenüber dem Stand der Technik gleichbleibendem Neigungs­ winkel der Schrägscheibe die Kolbenquerkraft des am weitesten ausgetauchten Hub­ kolbens verringert. Umgekehrt kann dies insofern genutzt werden, als bei gleichblei­ bender, maximal möglicher Kolbenquerkraft, d. h. bei Ausnutzung der maximal zuläs­ sigen Materialbelastungen, der Neigungswinkel der Schrägscheibe erhöht und damit die Leistung des erfindungsgemäßen Axialkolbenmotors beträchtlich gesteigert wird.

Zweckmäßigerweise ist die Krümmung der Lauffläche derart bemessen, daß die Flächenpressungen der Hubkolben in den Zylinderbohrungen und/oder die Durch­ biegungen der Hubkolben, die während des Betriebs auftreten, nicht mehr als 20%, insbesondere nicht mehr als 10% voneinander abweichen.

Auf diese Weise ergibt sich eine gleichmäßige Belastung aller Hubkolben und Zylinderbohrungen.

Als besonders vorteilhaft hat sich ein Axialkolbenmotor erwiesen, bei der der Neigungswinkel der Schrägscheibe zwischen 20° und 30° beträgt. Ein solcher Axial­ kolbenmotor weist bei geringen Außenabmessungen einen großen geometrischen Volumenstrom auf und damit ein hohes Leistungsvermögen. Die Belastungen der Hubkolben und Zylinderbohrungen sind durch die erfindungsgemäße Krümmung der Lauffläche im Vergleich zu bekannten Triebwerken dennoch nicht größer.

Es ist fertigungstechnisch günstig, wenn die Steuerfläche an einer Steuerscheibe angeordnet ist. Die Steuerscheibe kann somit getrennt hergestellt werden, was das Einbringen der Steuerschlitze erleichtert.

Die Schrägscheibe und die Steuerscheibe sind mit Vorteil auf einem an dem Träger­ teil gebildeten Schrägzapfen angeordnet und unter Zwischenschaltung eines Axial­ lagers durch Federkraft beaufschlagt.

Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß zwischen dem Träger­ teil und dem Abtriebsteil eine Bremse angeordnet ist. Diese ist bevorzugt als hydrau­ lisch lösbare Federspeicherbremse ausgebildet ist.

Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Axialkolbenmotors als Radantrieb ist es günstig, wenn die Zylindertrommel mit einem Radbefestigungsflansch und einer Felgenzentrierung versehen ist.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in der schema­ tischen Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Die Figur zeigt einen Schnitt durch einen als Radantrieb ausgebildeten Axialkolben­ motor in Schrägscheibenbauweise mit konstantem Schluckvolumen in Blickrichtung auf die Längsmittelebene des Axialkolbenmotors, wodurch die Neigung der Schräg­ scheibe des Axialkolbenmotors erkennbar ist.

Der Axialkolbenmotor weist einen feststehenden Trägerteil 1 auf, der zur Befestigung an einem fahrzeugfesten Bauteil (Rahmen, Achse etc.) ausgebildet und mit einer Lagerbuchse 2 verbunden ist. Radial innerhalb der Lagerbuchse 2 ist mittels zweier als Schrägwälzlager in O-Anordnung (bevorzugt Kegelrollenlager) ausgebildeter Lager 3a und 3b ein Abtriebsteil 4 gelagert, das im wesentlichen aus einer Zylinder­ trommel 5 des Axialkolbenmotors besteht. An der Zylindertrommel 5 sind ein Rad­ flansch 5a und eine Felgenzentrierung 5b angeformt. Durch die Außenlagerung der Zylindertrommel 5 in der Lagerbuchse 2 kann der erfindungsgemäße Axialkolben­ motor mit reduzierten Abmessungen in radialer Richtung ausgeführt werden, was das Gewicht reduziert. Dadurch ist die Dynamik gesteigert (kleinere Rotationsmomente) und die Drehzahlgrenze deutlich erhöht. Die Herstellkosten werden verringert.

Die Lager 3a und 3b sind derart bemessen, daß sie sowohl die äußeren Kräfte (Rad­ lasten) als auch die Triebwerkskräfte aufnehmen können. Das in der Figur rechte Lager 3b ist zu diesem Zweck größer dimensioniert als das in der Figur linke Lager 3a. Im Falle, daß die aufzunehmenden Triebwerkskräfte größere Lager erfordern und diese größeren Lager Platzprobleme aufwerfen, kann in dem radial innerhalb der Zylinderbohrungen in der Zylindertrommel 5 zur Verfügung stehenden Raum, der bei dem bekannten Axialkolbenmotor des Standes der Technik für den Achszapfen und die Lager benötigt wird, eine Vorrichtung zur Kompensation dieser Triebwerkskräfte (Axialkräfte) des Axialkolbenmotors untergebracht werden. Die Lager haben dann die von der Radlast erzeugten äußeren Kräfte und die Querkräfte aus dem Triebwerk aufzunehmen.

Die Schrägscheibe 8 ist derart angeordnet, daß die Radialkomponenten der Trieb­ werkskräfte im Betriebszustand den Radlasten entgegengerichtet wirksam sind (d. h., wie aus der Figur ersichtlich, ist die Schrägscheibe 8 so geneigt, daß im unteren, fahrbahnnahen Bereich des Axialkolbenmotors ein größerer axialer Abstand zur Zylindertrommel 5 besteht auf als im oberen Bereich). Dadurch wird eine hohe Lebensdauer der Lager 3a und 3b erzielt.

Die Zylindertrommel 5 weist konzentrische Zylinderbohrungen 5c auf, in denen jeweils ein Hubkolben 6 längsbeweglich ist, der über einen Gleitschuh 7 auf einer Lauffläche 8a einer ringscheibenförmigen Schrägscheibe 8 abgestützt ist. Die Gleitschuhe 7 werden durch eine ebenfalls ringscheibenförmige Niederhalteplatte 9 in Richtung zur Lauffläche 8a beaufschlagt. Die Lauffläche 8a der Schrägscheibe 8 ist zumindest im Bereich der am weitesten aus den Zylinderbohrungen 5c ausgetauchten Hubkolben 6 mit einer konkaven Krümmung versehen. Diese Krümmung ist bevorzugt als sphäri­ sche Krümmung ausgebildet. Durch die Krümmung der Lauffläche 8a ist bei der Kraftzerlegung auf der Lauffläche 8a nicht der Neigungswinkel der Schrägscheibe 8 allein wirksam, sondern zusätzlich ein sich aus der Krümmung ergebender Winkel. Für den am weitesten aus seiner Zylinderbohrung 5c ausgetauchten Hubkolben 6 resultiert daraus bei der Kraftzerlegung auf der Lauffläche 7 ein Abstützwinkel, der sich aus der Differenz zwischen dem Neigungswinkel und dem sich von der Krüm­ mung der Lauffläche 7 bestimmten Winkel ergibt und der demnach kleiner ist als der Neigungswinkel der Schrägscheibe.

Infolgedessen ergibt sich bei unverändertem Neigungswinkel durch die konkave Krümmung der Lauffläche 8a im Bereich des am weitesten aus seiner Zylinder­ bohrung 5c ausgetauchten Hubkolbens 6 eine verringerte Kolbenquerkraft. Um­ gekehrt ermöglicht dieser Effekt - unter Ausnutzung der zulässigen Materialbelas­ tungen - bei einer gleichbleibenden, maximal möglichen Kolbenquerkraft eine Vergrößerung des Neigungswinkels der Schrägscheibe 8, was einer Erhöhung des geometrischen Volumenstroms und damit einer Leistungssteigerung der erfindungs­ gemäß ausgestalteten Axialkolbenmaschine gleichkommt.

Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, daß bei einer Krümmung der Lauffläche 8a, wie sie im vorliegenden Ausführungsbeispiel gezeigt ist, für den am weitesten in seine Zylinderbohrung 5c eingetauchten Hubkolben 6 ein Abstützwinkel resultiert, der sich aus der Addition des Neigungswinkels und des von der Krümmung der Lauffläche 8a bestimmten Winkels ergibt. Der Abstützwinkel ist demnach größer als der Neigungs­ winkel. Dadurch ergeben sich für den eingetauchten Hubkolben 6 zwar vergrößerte Kolbenquerkräfte, allerdings sind diese bezüglich der Belastungen Flächenpressung und Durchbiegung des Hubkolbens 6 unkritisch, da der Hubkolben 6 auf seiner ganzen Länge in der Zylinderbohrung 5c gegenüber der Kolbenquerkraft abgestützt ist.

Für eine möglichst gleichmäßige Belastung der Zylindertrommel 5 und der Hubkolben 6 ist die Krümmung der Lauffläche 8a vorzugsweise derart bemessen, daß die Flächenpressungen der Hubkolben 6 in den Zylinderbohrungen 5c und/oder die Durchbiegungen der Hubkolben 6, die während des Betriebs auftreten, nicht mehr als 20%, insbesondere nicht mehr als 10% voneinander abweichen.

Der erfindungsgemäße Axialkolbenmotor weist bevorzugt einen Neigungswinkel der Schrägscheibe 8 auf, der zwischen 20° und 30° beträgt.

Die Steuerung des Axialkolbenmotors erfolgt mittels einer mit Steuerschlitzen verse­ henen, ringscheibenförmigen Steuerscheibe 10, die eine Steuerfläche 10a aufweist. Damit die Zylinderbohrungen 5c mit Drucköl versorgt werden können, sind in der Schrägscheibe 8 und den Gleitschuhen 7 sowie den Hubkolben 6 Durchgangs­ öffnungen vorgesehen.

Die Schrägscheibe 8 und die Niederhalteplatte 9 rotieren drehsynchron mit der Zylindertrommel 4 und werden über ein Axiallager 11 mittels Federkraft (Tellerfedern 12) gegen die nichtrotierende Steuerscheibe 10 gedrückt.

Die Steuerscheibe 10, die Schrägscheibe 8 und die Niederhalteplatte 9 sind auf einem an dem Trägerteil 1 gebildeten Schrägzapfen 1a angeordnet. Bei einer im Schluckvolumen verstellbaren Ausführung der erfindungsgemäßen Axialkolben­ maschine kann der Schrägzapfen 1a schwenkbar sein, um den Neigungswinkel der Schrägscheibe 8 zu verstellen.

Zwischen dem Abtriebsteil 2 und dem Trägerteil 1 ist eine Federspeicherbremse 13 angeordnet. Diese ist durch die Kraft von Tellerfedern 14 in Richtung zur Schließ­ stellung beaufschlagt und kann durch einen im Querschnitt L-förmigen Ringkolben 15 hydraulisch gelöst werden. Die Federspeicherbremse 13 weist ein Lamellenpaket 16 auf, wobei die einzelnen Lamellen wechselweise mit der Lagerbuchse 2 bzw. einem mit der Zylindertrommel 5 verbundenen Mitnehmerkorb 17 gekoppelt sind.

Sämtliche Druckölanschlüsse (Hochdruck, Niederdruck, Bremsdruck, Entlüftung) des erfindungsgemäßen Axialkolbenmotors sind an der in der Figur rechten Stirnseite des Trägerteils 1 angeordnet.

Claims (13)

1. Axialkolbenmotor in Schrägscheibenbauweise, insbesondere Radmotor, mit einem feststehenden Trägerteil, das eine Schrägscheibe und eine Steuerfläche enthält, und einem rotierenden Abtriebsteil, in das eine Zylindertrommel integriert ist, und gemeinsamen Lagern für die Lagerung der Zylindertrommel und des Trägerteils, dadurch gekennzeichnet, daß die Lager (3a, 3b) radial zwischen der Zylindertrommel (5) und einer mit dem Trägerteil (1) verbundenen, die Zylinder­ trommel (5) umgebenden Lagerbuchse (2) angeordnet sind.

2. Axialkolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lager (3a, 3b) zur Aufnahme sowohl der äußeren Kräfte als auch der Triebwerkskräfte ausgebildet sind.

3. Axialkolbenmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrägscheibe (8) derart angeordnet ist, daß die Radialkomponenten der Trieb­ werkskräfte im Betriebszustand den Radlasten entgegengerichtet wirksam sind.

4. Axialkolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lager (3a, 3b) aus zwei Schrägwälzlagern in O-Anordnung bestehen insbesondere Kegelrollenlagern.

5. Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß eine ringscheibenförmige, drehsynchron mit der Zylindertrommel (5) gekoppelte Schrägscheibe (8) vorgesehen ist, die gegen die Steuerfläche (10a) des Axialkolbenmotors anliegt und mit Durchgangsöffnungen zur Verbindung von Zylinderbohrungen (5c) der Zylindertrommel (5) mit den Druckanschlüssen des Axialkolbenmotors versehen ist.

6. Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schrägscheibe (8) eine zur Abstützung von Hubkolben (6) vorgesehene Lauffläche (8a) aufweist, die mit einer konkaven, insbesondere sphärischen Krümmung versehen ist.

7. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung der Lauffläche (8a) derart bemessen ist, daß die Flächenpressungen der Hubkolben (6) in den Zylinderbohrungen (5c) und/oder die Durchbiegungen der Hubkolben (6), die während des Betriebs auftreten, nicht mehr als 20% insbesondere nicht mehr als 10% voneinander abweichen.

8. Axialkolbenmaschine nach einem der Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß der Neigungswinkel der Schrägscheibe (8) zwischen 20° und 30° beträgt.

9. Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Steuerfläche (10a) an einer Steuerscheibe (10) angeordnet ist.

10. Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schrägscheibe (8) und die Steuerscheibe (10) auf einem an dem Trägerteil (1) gebildeten Schrägzapfen (1a) angeordnet und unter Zwischen­ schaltung eines Axiallagers (11) durch Federkraft beaufschlagt sind.

11. Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen dem Trägerteil (1) und dem Abtriebsteil (4) eine Bremse angeordnet ist.

12. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremse als hydraulisch lösbare Federspeicherbremse (12) ausgebildet ist.

13. Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zylindertrommel (5) mit einem Radbefestigungsflansch (5a) und einer Felgenzentrierung (5b) versehen ist.