DE19855899A1 - Axialkolbenmaschine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine (1) mit einer um eine Drehachse (4) rotierenden Zylindertrommel (4) und mehreren in Zylinderbohrungen (5) der Zylindertrommel (3) angeordneten, längsverschiebbaren Arbeitskolben (6), die mit einer schräg zur Drehachse (4) positionierbaren Wirkfläche (8) in Wirkverbindung stehen, wobei die Zylinderbohrungen (5) der Zylindertrommel (3) mittels Verbindungsöffnungen (12) mit an einer gehäusefesten Steuerfläche (10) angeordneten Steuerkanälen (13, 14) in Verbindung bringbar sind und die Zylindertrommel (3) an einem von der Steuerfläche (10) axial beabstandeten Stützlager (24) radial abgestützt ist. Die Aufgabe, eine Axialkolbenmaschine zur Verfügung zu stellen, die eine hohe Saugfähigkeit bei geringem Bauaufwand aufweist, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine mit der Zylindertrommel (3) in Wirkverbindung stehende Zusatzeinrichtung (30) vorgesehen ist, die ein um das Stützlager (24) der Zylindertrommel (3) wirkendes Drehmoment (M¶Kmp¶) erzeugt, das einem aus der Auslegung der Steuerfläche (10) bewirkten Kippmoment entgegengerichtet ist und das Kippmoment kompensiert. In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Zusatzeinrichtung (30) an der Zylindertrommel (3) im Bereich der Steuerfläche (10) angeordnet und weist mindestens einen Kompensationskolben (41; 41a) auf, der mit der Zylindertrommel (3) in Wirkverbindung steht und eine radiale Kraft (F¶Kmp¶) erzeugt. Hierbei kann jedem Arbeitskolben (6) ein Kompensationskolben ...
Description
Die Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine mit einer um eine Drehachse
rotierenden Zylindertrommel und mehreren in Zylinderbohrungen der Zylindertrommel
angeordneten, längsverschiebbaren Arbeitskolben, die mit einer schräg zur
Drehachse positionierbaren Wirkfläche in Wirkverbindung stehen, wobei die
Zylinderbohrungen der Zylindertrommel mittels Verbindungsöffnungen mit an einer
gehäusefesten Steuerfläche angeordneten Steuerkanälen in Verbindung bring bar
sind und die Zylindertrommel an einem von der Steuerfläche axial beabstandeten
Stützlager radial abgestützt ist.
Derartige Axialkolbenmaschinen werden beispielsweise als Pumpen, insbesondere
selbstansaugende Pumpen, verwendet, die Druckmittel aus einem Behälter
ansaugen. Der Behälter steht hierbei unter Umgebungsdruck oder kann durch eine
Vorspannung einen geringen über dem Umgebungsdruck liegenden Druck aufweisen.
Beim Ansaugen aus dem Behälter entsteht durch Strömungsverluste in der
Ansaugleitung und in der Pumpe ein Druckabfall, der zu einem Füllungsverlust der
Pumpe führen kann. Zudem kann sich durch den Druckabfall aus dem Druckmittel
Gas lösen oder ein Vakuum bilden, das zu Beschädigungen an der Pumpe führen
kann.
Die Strömungsverluste der Pumpe hängen hierbei von der Gestaltung des
Einströmbereichs der Arbeitskolben ab und nehmen mit zunehmender Förderleistung
und somit Drehzahl der Pumpe zu. Beim Überschreiten einer entsprechenden
Sauggrenzdrehzahl ist hierbei ein Betriebszustand erreicht, bei dem an den
Arbeitskolben aufgrund einer Vakuumbildung ein Füllungsmangel auftritt, der zu einer
Verminderung des Förderstroms der Pumpe und zu einer Schädigung der Pumpe
durch Kavitationserosion im anschließenden Förderhub der Pumpe führt.
Um an der Pumpe eine hohe Sauggrenzdrehzahl zu erhalten, sind die
Strömungsverluste im Einströmbereich der Arbeitskolben zu verringern. Der
Einströmbereich der Arbeitskolben wird von der Steuerfläche und den daran
gebildeten nierenförmigen Steuerkanälen sowie den die Steuerkanäle mit den
Zylinderbohrungen verbindenden Verbindungsöffnungen der Zylindertrommel
gebildet.
Die Form und Anordnung der Steuerkanäle sowie der Verbindungsöffnungen sind
durch das Kräfte- und Momentengleichgewicht der zwischen der Zylindertrommel und
der Steuerfläche auftretenden Kräfte festgelegt.
Hierbei wirkt an der Zylindertrommel eine die Zylindertrommel an die Steuerfläche
anpressende Zylinderdruckkraft, die dadurch entsteht, daß die Verbindungsöffnungen
der Zylinderbohrungen mit der Steuerfläche eine kleinere Fläche aufweisen als die
Kreisringfläche der Zylinderbohrungen. Zudem ist es möglich, eine mit der
Zylindertrommel in Wirkverbindung stehende Feder vorzusehen, die eine die
Zylindertrommel an die Steuerfläche anpressende Kraft erzeugt. Dieser die
Zylindertrommel an die Steuerfläche anpressenden Zylinderdruckkraft wirkt eine
hydrostatische Entlastungskraft entgegen, die aus dem Druckfeld im konstruktiv
bedingten Spalt zwischen der Zylindertrommel und der Steuerfläche resultiert. Die
hydrostatische Entlastungskraft ist hierbei kleiner als die anpressende
Zylinderdruckkraft, so daß die Zylindertrommel durch eine verbleibende axiale
Anpresskraft an die Steuerfläche angepreßt wird. Die Form und Anordnung der
Steuerkanäle der Steuerfläche muß hierbei unter Berücksichtigung des
Momentengleichgewichts derart ausgelegt und abgestimmt werden, daß der
Kraftangriffspunkt der verbleibenden axialen Anpresskraft innerhalb des
Abstützdurchmesser der Zylindertrommel an der Steuerfläche angeordnet ist.
Hierdurch wird ein Abkippen der Zylindertrommel von der Steuerfläche durch ein
Kippmoment vermieden, das auftritt, wenn der Kraftangriffspunkt der verbleibenden
axialen Anpresskraft außerhalb des Abstützdurchmessers der Zylindertrommel
angeordnet ist. Bei einer Auslegung der Steuerfläche, bei der der Kraftangriffspunkt
der verbleibenden axialen Anpresskraft innerhalb des Abstützdurchmesser der
Zylindertrommel angeordnet ist, entstehen jedoch langgezogene Steuerkanäle mit
einer geringen Breite, die auf einem relativ großen Teilkreis angeordnet sind.
Derartige Steuerkanäle führen zu großen Strömungsverlusten, die die maximal
zulässige Sauggrenzdrehzahl der Axialkolbenmaschine begrenzen.
Aus der DE 39 04 782 A1 ist eine als Schrägscheibenmaschine ausgebildete
Axialkolbenmaschine bekannt, die zur Erhöhung der Saugfähigkeit und somit der
maximal zulässigen Sauggrenzdrehzahl mit einer hydraulischen Zusatzvorrichtung
versehen ist, die eine zusätzliche axiale Anpreßkraft der Zylindertrommel an die
Steuerfläche erzeugt. Die Zusatzvorrichtung ist hierbei als mit Betriebsdruck
beaufschlagbarer Kolben ausgebildet, der an der Triebwelle abgestützt ist und die
Zylindertrommel durch die axiale Anpreßkraft in Richtung der Steuerfläche
beaufschlagt. Die durch den Kolben erzeugte zusätzliche axiale Anpresskraft muß
hierbei jedoch man der Lagerung der Triebwelle abgestützt werden, wodurch ein hoher
Bauaufwand für die Axialkolbenmaschine mit erhöhter Saugfähigkeit entsteht. Da
hierbei die Triebwelle und deren Lagerung gegenüber einer Axialkolbenmaschinen
ohne Zusatzvorrichtung abgeändert werden muß, kommt es innerhalb einer
Triebwerksfamilie, die Axialkolbenmaschinen mit und ohne Zusatzvorrichtung enthält,
zu einem Verlust an Gleichteilen und somit zu einem hohen Bauaufwand.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Axialkolbenmaschine
der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die eine hohe Saugfähigkeit bei
geringem Bauaufwand aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine mit der
Zylindertrommel in Wirkverbindung stehende Zusatzeinrichtung vorgesehen ist, die
ein um das Stützlager der Zylindertrommel wirkendes Drehmoment erzeugt, das
einem aus der Auslegung der Steuerfläche bewirkten Kippmoment entgegengerichtet
ist und das Kippmoment kompensiert.
Erfindungsgemäß ist somit die Steuerfläche derart ausgelegt, daß die verbleibende
axiale Anpresskraft außerhalb des Abstützdurchmessers der Zylindertrommel angreift
und somit ein die Zylindertrommel von der Steuerfläche abkippendes Kippmoment
entsteht. Dadurch können strömungsgünstige Steuerkanäle und
Verbindungsöffnungen mit geringen Strömungsverlusten vorgesehen werden, die
eine große Breite aufweisen und auf einem Teilkreis mit geringem Durchmesser
angeordnet sind. Das von der Zusatzeinrichtung erzeugte Drehmoment ist hierbei
dem aus der Auslegung der Steuerfläche und somit der Steuerkanäle sich ergebende
Kippmoment entgegengerichtet und kompensiert dieses derart, daß ein Abkippen der
Zylindertrommel von der Steuerfläche verhindert wird. Dadurch kann die
Saugfähigkeit und somit die maximal zulässige Sauggrenzdrehzahl der
Axialkolbenmaschine erhöht werden. Das von der Zusatzeinrichtung erzeugte
Drehmoment wird hierbei innerhalb der Zylindertrommel abgestützt, so daß an der
Lagerung der Triebwelle keine zusätzlichen Kräfte abgestützt werden müssen,
wodurch sich ein geringer Bauaufwand ergibt. Da hierbei für eine
Axialkolbenmaschine mit Zusatzeinrichtung an der Triebwelle und deren Lagerung
keine Veränderungen gegenüber einer Axialkolbenmaschine ohne Zusatzeinrichtung
erforderlich sind, führt dies innerhalb einer Triebwerksfamilie zu einer Erhöhung der
Gleichteile und somit einem geringen Herstellaufwand.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Zusatzeinrichtung an der
Zylindertrommel im Bereich der Steuerfläche angeordnet und weist mindestens einen
Kompensationskolben auf, der mit der Zylindertrommel in Wirkverbindung steht und
eine radiale Kraft erzeugt. Die Zusatzeinrichtung ist somit vom Stützlager der
Zylindertrommel axialbeabstandet. Dadurch kann auf einfache Weise durch
mindestens einen Kompensationskolben, der eine radiale Kraft erzeugt, ein an der
Zylindertrommel angreifendes Drehmoment erzeugt werden, das einem aus der
Auslegung der Steuerfläche sich ergebenden Kippmoment entgegengerichtet ist und
dieses derart ausgleicht, daß ein Abkippen der Zylindertrommel von der Steuerfläche
verhindert wird.
Mit besonderem Vorteil ist der Kompensationskolben mit Betriebsdruck
beaufschlagbar. Dadurch kann das von der Zusatzeinrichtung erzeugte Drehmoment
in Abhängigkeit der Belastung der Axialkolbenmaschine gesteuert werden.
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn jedem Arbeitskolben ein
Kompensationskolben zugeordnet ist. Die Kompensationskolben sind hierbei jeweils
einem Arbeitskolben zugeordnet und mittels diesem mit Betriebsdruck
beaufschlagbar. Dadurch kann auf einfache Weise die Beaufschlagung der
Kompensationskolben mit Betriebsdruck gesteuert werden. Hierbei erzeugen jeweils
nur diejenigen Kompensationskolben eine radiale Kraft, die an die Arbeitskolben
angeschlossen sind, die mit dem an die Förderleitung angeschlossenen Steuerkanal
in Verbindung stehen. Dadurch kann auf einfache Weise ein Drehmoment erzeugt
werden, das ein aus der Auslegung der Steuerfläche bewirktes Kippmoment
ausgleicht.
Bei einer Axialkolbenmaschine, bei der eine die Zylindertrommel zentrisch
durchsetzende Triebwelle vorgesehen ist, auf der die Zylindertrommel mittels des
Stützlagers abgestützt ist, ergibt sich ein besonders geringer Bauaufwand, wenn die
Zusatzeinrichtung in einem zwischen der Triebwelle und der Zylindertrommel
gebildeten Hohlraum angeordnet ist. Die Zusatzeinrichtung ist somit innerhalb der
Zylindertrommel angeordnet, wodurch die Zusatzeinrichtung keinen zusätzlichen
Bauraum benötigt.
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn die Kompensationskolben an der Triebwelle
abgestützt und mittels jeweils eines Federelements in Richtung zur Triebwelle
beaufschlagbar sind. Die Kompensationskolben stützen sich hierbei an der Triebwelle
ab und erzeugen bei einer Beaufschlagung mit Betriebsdruck radiale Kräfte, die ein
um das Stützlager der Zylindertrommel wirkendes, dem Kippmoment
entgegengerichtetes Drehmoment erzeugen. Durch die Federelemente können die
Kompensationskolben mit geringem Aufwand bei rotierender Zylindertrommel
entgegen der Fliehkraft und den Saugkräften während der Verbindung der
Kompensationskolben über die Arbeitskolben mit dem an den Behälter
angeschlossenen Steuerkanal in Anlage an die Triebwelle gehalten werden.
In einer Ausführungsform sind die Kompensationskolben in Bohrungen eines in dem
Hohlraum der Zylindertrommel angeordneten ringförmigen Bauelements
längsverschiebbar gelagert, wobei jede Bohrung mittels jeweils eines in der
Zylindertrommel angeordneten Verbindungskanals mit der entsprechenden
Zylinderbohrung in Verbindung steht. Die Zusatzeinrichtung besteht somit aus dem
ringförmigen Bauelement, in dem die Kompensationskolben angeordnet sind. Eine
derartige Zusatzeinrichtung kann mit geringem Bauaufwand ohne zusätzlichen
Bauraumbedarf in eine Axialkolbenmaschine integriert werden und somit die
Sauggrenzdrehzahl der Axialkolbenmaschine erhöht werden.
Zweckmäßigerweise ist das ringförmige Bauelement mit der Zylindertrommel drehfest
verbunden. Dadurch wird auf einfache Weise beim Betrieb der Axialkolbenmaschine
sichergestellt, daß die Bohrungen des ringförmigen Bauelements mit den
Verbindungskanälen in Verbindung stehen.
Bei einer Axialkolbenmaschine, bei der die Zylindertrommel mittels einer im Hohlraum
angeordneten, an der Triebwelle abgestützten Feder in Richtung der Steuerfläche
beaufschlagbar ist, ergibt sich ein besonders geringer Bauaufwand, wenn das
ringförmige Bauelement an der Zylindertrommel axial abgestützt ist und mit der Feder
in Wirkverbindung steht. Das ringförmige Bauelement der Zusatzeinrichtung bildet
somit das Widerlager für die Feder, die bei geringem Betriebsdruck die
Zylindertrommel an die Steuerfläche anpresst.
In einer Ausgestaltungsform sind die Kompensationskolben senkrecht zur Drehachse
angeordnet. Bei einer Beaufschlagung mit Betriebsdruck erzeugen die
Kompensationskolben somit radiale Kräfte, die ein um das Stützlager der
Zylindertrommel wirkendes Drehmoment bewirken, das dem aus der Auslegung der
Steuerfläche sich ergebenden Kippmoment entgegengerichtet ist und dieses
ausgleicht.
In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung sind die Kompensationskolben in
Richtung zur Steuerfläche geneigt. Die bei einer Beaufschlagung mit Betriebsdruck
von den Kompensationskolben erzeugten Kräfte weisen radiale Kraftanteile, die ein
Drehmoment um das Stützlager erzeugen, und axiale Kraftanteile auf, die eine
zusätzliche die Zylindertrommel an die Steuerfläche anpressende Axialkraft bewirken.
Durch die zusätzliche axiale Anpressung der Zylindertrommel an die Steuerfläche
kann die Breite der Steuerkanäle und der Verbindungsöffnungen weiter vergrößert
werden, wodurch sich die Strömungsverluste im Einströmbereich der Arbeitskolben
weiter verringern und somit die Sauggrenzdrehzahl erhöht.
Zweckmäßigerweise ist hierbei die Triebwelle im Bereich der Kompensationskolben
mit einer kegelförmigen Wirkfläche, insbesondere einem Absatz, versehen. Dadurch
kann mit geringem baulichem Aufwand bei in Richtung zur Steuerfläche geneigten
Kompensationskolben an der Triebwelle eine Anlagefläche für die
Kompensationskolben gebildet werden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand der in
den schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei
zeigt
Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine,
Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie A-A der Fig. 1,
Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie B-B der Fig. 1,
Fig. 4 einen Teilbereich des Axialschnitts gemäß der Fig. 1 in einer
vergrößerten Darstellung und
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Axialkolbenmaschine in einer Darstellung gemäß der Fig. 4.
Die Fig. 1 bis 4 zeigen eine Axialkolbenmaschine 1 mit einer in einem Gehäuse 2
angeordneten Zylindertrommel 3, die um eine Drehachse 4 drehbar gelagert ist. In der
Zylindertrommel 3 sind mehrere Zylinderbohrungen 5 vorgesehen, in denen jeweils
ein Arbeitskolben 6 längsverschiebbar gelagert ist. Die Zylinderbohrungen 5 sind
hierbei konzentrisch zur Drehachse 4 auf einem Teilkreis mit dem Durchmesser dtk
angeordnet. Die Arbeitskolben 6 sind in dem aus der Zylindertrommel 3
herausragenden Bereich mittels jeweils eines Gleitschuhs 7 an einer schräg zur
Drehachse 4 positionierbaren Wirkfläche 8 abgestützt. Die Wirkfläche 8 kann hierbei
am Gehäuse 2 oder an einem eigenständigen Schwenkkörper, beispielsweise einer
Schrägscheibe, angeordnet werden, dessen Neigung gegenüber der Drehachse
veränderbar sein kann.
An einer der Wirkfläche 8 gegenüberliegenden Stirnseite weist die Zylindertrommel 3
eine Abstützfläche 9 auf, mit der die Zylindertrommel 3 an einer Steuerfläche 10 eines
Steuerspiegel 11 anliegt, der an einem mit dem Gehäuse 2 fest verbundenen
Gehäusebauteil 2a drehfest angeordnet ist. Mittels in der Zylindertrommel 3 im
Bereich der Anlagefläche 9 angeordneten Verbindungsöffnungen 12 sind die
Zylinderbohrungen 5 bei einer Rotation der Zylindertrommel 3 um die Drehachse 4 an
nierenförmig ausgebildete Steuerkanäle 13, 14 der Steuerfläche 11 anschließbar. Die
Steuerkanäle 13, 14 und die Verbindungsbohrungen 12 sind konzentrisch zur
Drehachse 4 auf einem Teilkreis mit dem Durchmesser dtn angeordnet und weisen
eine Breite bn auf. Die Verbindungsbohrungen 12 sind hierbei kleiner als die
Zylinderbohrungen 5, wodurch in Abhängigkeit des in den Zylinderbohrungen 5
anstehenden Betriebsdrucks die Zylindertrommel 3 durch Zylinderdruckkräfte an die
Steuerfläche 10 angepresst wird. Hierbei ist beispielsweise der Steuerkanal 13 an
eine Förderleitung angeschlossen und bildet eine Hochdruckseite und der
Steuerkanal 14 an einen Behälter angeschlossen, wobei der Steuerkanal 14 die
Saugseite der Axialkolbenmaschine 1 bildet.
Die Zylindertrommel 3 ist von einer zentrischen Bohrung 20 durchsetzt, durch die eine
konzentrisch zur Drehachse 4 angeordneten Triebwelle 21 durch die Zylindertrommel
3 geführt ist. Die Triebwelle 21 ist mittels Lagerungen 22, 23 im Gehäuse 2 bzw. dem
Gehäusebauteil 2a drehbar gelagert. In einem von der Steuerfläche 10 axial
beabstandetem Bereich ist die Zylindertrommel 3 mittels eines Stützlagers 24 an der
Triebwelle 21 in radialer Richtung abgestützt. Das Stützlager 24 ist beispielsweise als
Keilwellenverzahnung 25 ausgebildet, wodurch die Zylindertrommel 3 auf der
Triebwelle 21 längsverschiebbar angeordnet ist.
In einem zwischen der Zylindertrommel 3 und der Triebwelle 21 gebildeten,
ringförmigen Hohlraum 26 ist eine Feder 27, beispielsweise eine Druckfeder, koaxial
zur Drehachse 4 angeordnet, die an ihrem in der Fig. 1 linken Ende an der
Triebwelle 21 mittels eines Stützringes 28 abgestützt ist. An dem rechten Ende stützt
sich die Feder 27 über eine in dem Hohlraum 26 angeordneten Zusatzeinrichtung 30
an einem an der Zylindertrommel 3 befestigten Sicherungsring 31 axial ab. Durch die
Feder 27 wird somit eine axiale Kraft erzeugt, die die Zylindertrommel 3 in Richtung
des Steuerspiegels 10 vorspannt, wodurch im drucklosen Zustand oder bei geringem
Betriebsdruck eine Anpressung der Zylindertrommel 3 an die Steuerfläche 10 erzielt
werden kann. Die Zusatzeinrichtung 30 ist hierbei in axialer Richtung von dem
Stützlager 24 der Zylindertrommel 3 um das Maß skmp beabstandet.
Die Zusatzeinrichtung 30 weist ein koaxial zur Drehachse 4 angeordnetes
ringförmiges Bauelement 32 auf, das in der Bohrung 20 dichtend angeordnet ist
beispielsweise in die Bohrung 20 eingepresst ist. Das ringförmige Bauelement 32 ist
mit mehreren Bohrungen 40 vorgesehen, die strahlenförmig um die Drehachse 4 und
senkrecht zur Drehachse 4 angeordnet sind. In den Bohrungen 40 ist jeweils ein
Kompensationskolben 41 längsverschiebbar angeordnet, der mit der Außenfläche der
Triebwelle 21 in Wirkverbindung steht. Die Anzahl der Bohrungen 40 und somit der
Kompensationskolben 41 entspricht hierbei der Anzahl der Zylinderbohrungen 5 und
somit der Arbeitskolben 6. Die Bohrungen 40 sind über jeweils eine in der
Zylindertrommel 3 angeordneten Verbindungskanal 42 an die entsprechende
Zylinderbohrung 5 bzw. Verbindungsöffnung 12 angeschlossen, wobei der
Durchmesser des Verbindungskanals 42 geringer als der Durchmesser der Bohrung
40 ist. Die Kompensationskolben 41 sind durch jeweils ein in der Bohrung 40
angeordnetes Federelement 43 in Richtung zur Triebwelle 21 beaufschlagt. Mittels
einer Verdrehsicherung 33 ist das ringförmige Bauelement 32 drehfest mit der
Zylindertrommel 3 verbunden.
Beim Betrieb der Axialkolbenmaschine 1 treten zwischen der Zylindertrommel 3 und
der Steuerfläche 10 die in der Fig. 3 schematisch dargestellten Kräfte auf. Die
Zylinderräume 5 gelangen beim Betrieb der Axialkolbenmaschine über die
Verbindungsöffnungen 12 abwechselnd mit dem die Hochdruckseite bildenden
Steuerkanal 13 und dem die Saugseite bildenden Steuerkanal 14 in Verbindung.
Hierbei wird die Zylindertrommel 3 durch eine resultierende Zylinderdruckkraft FZ, die
durch das Flächenverhältnis der Zylinderbohrungen 5 und der Verbindungsöffnungen
12 entsteht, an die Steuerfläche 10 angepresst. Die Zylinderdruckkraft FZ ist hierbei
von einer Kippachse 50 der Zylindertrommel 3 um das Maß eFz beabstandet. Die
Kippachse 50 liegt hierbei in der Ebene der Steuerfläche 10 und schneidet die
Drehachse 4 in der Längsmittelebene der Axialkolbenmaschine 1.
Der Zylinderdruckkraft FZ wirkt eine hydrostatische Entlastungskraft Fe entgegen, die
aus dem Druckfeld im Spalt zwischen der Abstützfläche 9 der Zylindertrommel 3 und
der Steuerfläche 10 entsteht. Die hydrostatische Entlastungskraft Fe ist hierbei von
der Kippachse 50 um das Maß eFe beabstandet. Die Zylinderdruckkraft FZ ist größer
als die hydrostatische Entlastungskraft Fe, so daß eine resultierende axiale
Anpresskraft Fr den Zylinderblock 3 an die Steuerfläche 10 anpresst. Bei der in dem
Ausführungsbeispiel dargestellten Auslegung der Steuerfläche 10 und somit
Ausgestaltung und Anordnung der Steuerkanäle 13, 14 mit der Breite bn und dem
Teilkreisdurchmesser dtn ergibt sich unter Beachtung des Momentengleichgewichts für
die resultierende Kraft Fr ein von der Kippachse 50 um das Maß eFr* beabstandeter
Hebelarm, der außerhalb des Abstützdurchmessers da der Zylindertrommel 3 ist. Die
resultierende Kraft Fr erzeugt somit ein Kippmoment, wodurch die Zylindertrommel 3
ohne Zusatzmaßnahmen von dem Steuerkanal 14 um die Kippachse 50 abkippen
würde.
Die in Fig. 2 auf der linken Seite dargestellten Kompensationskolben 41 der
Zusatzeinrichtung 30, die den mit dem Steuerkanal 13 und somit der Hochdruckseite
in Verbindung stehenden Zylinderräumen 5 zugeordnet sind, werden hierbei über die
Verbindungsbohrungen 42 mit Betriebsdruck beaufschlagt und erzeugen jeweils eine
radiale Kraft FKmp. Diese radialen Kräfte FKmp bewirken mit dem Hebelarm skmp ein
Drehmoment MKmp um eine Achse 51, die parallel zur Kippachse 50 angeordnet ist
und die Drehachse 4 im Bereich des Stützlagers 24 schneidet. Das Drehmoment MKmp
ist hierbei dem aus der Anpresskraft Fr und dem Hebelarm eFr* entstehenden
Kippmoment entgegenwirkt und kompensiert dieses derart, daß sich bei
gleichbleibender Größe der resultierenden Kraft Fr ein Hebelarm eFr ergibt, der
innerhalb des Abstützdurchmessers da der Zylindertrommel 3 angeordnet ist. Durch
die Zusatzeinrichtung 30 wird somit ein Drehmoment MKmp erzeugt, das das
Kippmoment derart kompensiert, daß ein Abkippen der Zylindertrommel 3 von der
Steuerfläche 10 verhindert wird.
Die restlichen in Fig. 2 auf der rechten Seite befindlichen Kompensationskolben 41,
die mit den Zylinderräumen 5 in Verbindung stehen, die an den die Saugseite
bildenden Steuerkanal 14 angeschlossen sind, werden entgegen der Fliehkraft und
dem Unterdruck während des Saughubs von dem Federelement 43 in Anlage an die
Triebwelle 21 gehalten.
Das ringförmige Bauelement 32 und die Kompensationskolben 41 bilden somit eine
Zusatzeinrichtung 30, die ein um das Stützlager 24 wirkendes Drehmoment MKmp
erzeugt, das ein Abkippen des Zylinderblocks 3 von der Steuerfläche 10 aufgrund
eines durch die Auslegung der Steuerkanäle 13, 14 der Steuerfläche 10 bewirkten
Kippmoments verhindert.
Die Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Axialkolbenmaschine 1, bei der die Kompensationskolben 41a der Zusatzeinrichtung
30 in Richtung zur Steuerfläche 10 um den Winkel α geneigt sind. Die
Kompensationskolben 41a sind hierbei in Bohrungen 40a des ringförmigen
Bauelements 32 angeordnet, wobei die Bohrungen 40a strahlenförmig um die
Drehachse 4 angeordnet sind und in Richtung zur Steuerfläche 10 um den Winkel α
geneigt sind. An der Triebwelle 21 ist eine kegelförmigen Wirkfläche 50 vorgesehen,
die beispielsweise von einem Absatz der Triebwelle 21 gebildet werden kann, wobei
an der Wirkfläche 50 die Kompensationskolben 42a abgestützt sind. Durch die
schräge Anordnung der Kompensationskolben 42a kann die aus dem Betriebsdruck in
Längsrichtung der Kolben 41a wirkende Kraft F in eine radiale Kraft und eine axiale
Kraft zerlegt werden. Neben einem durch die radialen Kräfte bewirktem Drehmoment
MKmp, das dem durch die Auslegung der Steuerfläche 10 bewirkten Kippmoment
entgegengerichtet ist und dieses kompensiert, kann durch eine schräge Abstützung
der Kompensationskolben 41a somit eine in axiale Richtung wirkende Kraft erzeugt
werden, die zusätzlich zur Zylinderdruckkraft Fz die Zylindertrommel 3 an die
Steuerfläche 10 anpresst.
Die Axialkolbenmaschine kann hierbei als Pumpe oder Motor mit einem konstantem
oder veränderbarem Fördervolumen ausgebildet sein. Neben einer Verwendung im
offenen Kreislauf ist ebenfalls eine Verwendung der Axialkolbenmaschine im
geschlossenen Kreislauf möglich, bei der aus konstruktiven Gründen Steuerkanäle
erforderlich sind, die auf einem Teilkreis mit einem kleinen Durchmesser angeordnet
sind.
Claims (12)
1. Axialkolbenmaschine mit einer um eine Drehachse rotierenden Zylindertrommel
und mehreren in Zylinderbohrungen der Zylindertrommel angeordneten,
längsverschiebbaren Arbeitskolben, die mit einer schräg zur Drehachse
positionierbaren Wirkfläche in Wirkverbindung stehen, wobei die
Zylinderbohrungen der Zylindertrommel mittels Verbindungsöffnungen mit an
einer gehäusefesten Steuerfläche angeordneten Steuerkanälen in Verbindung
bringbar sind und die Zylindertrommel an einem von der Steuerfläche axial
beabstandeten Stützlager radial abgestützt ist, dadurch gekennzeichnet, daß
eine mit der Zylindertrommel (3) in Wirkverbindung stehende Zusatzeinrichtung
(30) vorgesehen ist, die ein um das Stützlager (24) der Zylindertrommel (3)
wirkendes Drehmoment (MKmp) erzeugt, das einem aus der Auslegung der
Steuerfläche (10) bewirkten Kippmoment entgegengerichtet ist und das
Kippmoment kompensiert.
2. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Zusatzeinrichtung (30) an der Zylindertrommel (3) im Bereich der Steuerfläche
(10) angeordnet ist und mindestens einen Kompensationskolben (41; 41a)
aufweist, der mit der Zylindertrommel (3) in Wirkverbindung steht und eine radiale
Kraft (FKmp) erzeugt.
3. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
Kompensationskolben (41; 41a) mit Betriebsdruck beaufschlagbar ist.
4. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß
jedem Arbeitskolben (6) ein Kompensationskolben (41; 41a) zugeordnet ist.
5. Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine die
Zylindertrommel (3) zentrisch durchsetzende Triebwelle (21) vorgesehen ist, auf
der die Zylindertrommel (3) mittels des Stützlagers (24) abgestützt ist, dadurch
gekennzeichnet, daß die Zusatzeinrichtung (30) in einem zwischen der Triebwelle
(21) und der Zylindertrommel (3) gebildeten Hohlraum (26) angeordnet ist.
6. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kompensationskolben (41; 41a) an der Triebwelle (21) abgestützt sind und mittels
jeweils eines Federelements (43) in Richtung zur Triebwelle (21) beaufschlagbar
sind.
7. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kompensationskolben (41; 41a) in Bohrungen (40; 40a) eines in dem Hohlraum
(26) angeordneten ringförmigen Bauelements (32) längsverschiebbar gelagert
sind, wobei jede Bohrung (40; 40a) mittels jeweils eines in der Zylindertrommel (3)
angeordneten Verbindungskanals (42) mit der entsprechenden Zylinderbohrung
(5) in Verbindung steht.
8. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das
ringförmige Bauelement (32) mit der Zylindertrommel (3) drehfest verbunden ist.
9. Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die
Zylindertrommel (3) mittels einer im Hohlraum (26) angeordneten, an der
Triebwelle (21) abgestützten Feder (27) in Richtung der Steuerfläche (10)
beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Bauelement
(32) an der Zylindertrommel (3) axial abgestützt ist und mit der Feder (27) in
Wirkverbindung steht.
10. Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kompensationskolben (41) senkrecht zur Drehachse (4)
angeordnet ist.
11. Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kompensationskolben (41a) in Richtung zur
Steuerfläche (10) geneigt ist.
12. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die
Triebwelle (21) im Bereich des Kompensationskolbens (41a) mit einer
kegelförmigen Wirkfläche (50), insbesondere einem Absatz, versehen ist.
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