DE2152096A1

DE2152096A1 - Hydraulische Maschine

Info

Publication number: DE2152096A1
Application number: DE19712152096
Authority: DE
Inventors: Esko Kosonen
Original assignee: Rauma Repola Oy
Current assignee: Repola Oy
Priority date: 1970-10-21
Filing date: 1971-10-19
Publication date: 1972-04-27
Also published as: FI47694B; GB1364093A; FR2110041A5; SE370108B

Description

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Pr..: -iVith lh"'»ßl P 4

i.: ! „cim/Obb. Vl9. Okt. 1971

Max-Josefs-Plate 4

Rauma-Repola Oy, Lokomon tehtaat, 33100 Tampere 10 / Pinnland

Hydraulische Maschine

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Maschine, die nach dem Axialkolbenprinzip arbeitet.

Bei bekannten Maschinen der erwähnten Art ist eine antreibende Zylindergruppe parallel sowie in gleichem Abstand rund um die rotierende Welle der Maschine angeordnet, wobei entweder die Welle mit einer Scheibe oder Platte versehen ist, die auf der Welle schief angeordnet ist, während die Kolbenstangen der Zylinder jeweils zur Druckanlage gegen diese Scheibe in Axialrichtung bestimmt sind, wobei eine tangentiale Kraftkomponente auf dieser Schiefscheibe die Welle zu drehen vermag, oder es ist die Zylindergruppe selbst in Schiefstellung gegenüber der Antriebswelle angeordnet, wobei deren Kolbenstangen an die Scheibe an einem Ende der Welle angelenkt sind, während die Zylindergruppe mittels eines Universalgelenkes oder in ähnlicher Weise zur Drehung mit der gleichen Drehzahl wie die Welle verbunden ist, bei welcher das Hydraulikfluid auf die Kolben jeweils turnusmäßig einen Druck ausübt, was zur Entstehung einer die Welle drehenden tangentialen Kraftkomponente führt«

Bei derartigen bekannten Hydraulikmaschinen ist der Wirkungsgrad vergleichsweise niedrig, weil die benötigten Kolbenkräfte hoch im Vergleich zu der antreibenden Tangentialkraft sind. Das durch die Reibungskräfte hervorgerufene Reibungsmoment

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ist ebenfalls hoch, genauso wie die gegen die Kolben geriehte- · ten Seitenkräfte, woraus sich ein ungleicher Verschleiß und h'ohe Reibungsverluste ergeben. Das Anfahrdrehmoment der Maschine ist gering, so daß ein kompliziertes und aufwendiges Getriebe notwendig ist.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer demgegenüber geringere Reibungsverluste und einen hohen Wirkungsgrad aufweisenden Maschine. Erreicht wird dies dadurch, daß die Kolben gegen ein Kegel- oder Stirnzahnrad oder dergleichen in Einwirkung stehen, das mittels Lagern in einer Schiefstellung gegenüber der Richtung der getriebenen Welle der Maschine angeordnet ist, während das Kegel- oder Stirnzahnrad wiederum in Eingriffs berührung mit einem anderen Kegelzahnrad steht $ so daß bei Durchführung einer rotierenden Taumel- und Abrollbewegung des ersten Zahnrades der Berührungspunkt zwischen den Stirnflächen der Zahnräder zirkuliert, wobei durch die Differenz zwischen der Anzahl von Zähnen beider Zahnräder eine Drehbewegung auf die Welle übertragen wird, welche drehbar mit lagern angeordnet und mit einem dieser Zahnräder verbunden ist, während das andere Zahnrad ortsfest angeordnet ist.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Mg. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Maschine im Axialschnitt,

Pig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Maschine im Axialschnitt.

Die Hydraulikmaschine gemäß Fig. 1 umfaßt ein Gehäuse aus zwei glockenförmigen Gehäuseteilen 1, 2, welche aneinander befestigt sind. Durch das Gehäuse verläuft eine mittels Rollenlagern 12, 13 gelagerte angetriebene Maschinenwelle 8.

An der Innenseite des einen Gehäuseteils 1 ist zentral sowie

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in rechtem Winkel gegenüber der Welle verlaufend ein Kegeloder Stirnzahnrad 3 befestigt. Diesem Kegelzahnrad 3 ist ein anderes Kegelzahnrad 4 zugeordnet, welches in Eingriffsberührung mit dem ersten Kegelzahnrad 3 steht, jedoch derart, daß die Achse des zweiten Zahnrades 4 gegenüber der Achse des erstgenannten Kegelzahnrades 3 unterschiedlich ausgerichtet ist. Eine Abrollbewegung zwischen diesen Zahnrädern wird bewirkt, indem der Berührungspunkt zwischen den Flächen der Zahnräder zirkuliert und die Achse des Zahnrades 4 rund um einen gedachten Kegel rotiert, dessen Scheitel auf der Achse der Welle 8 liegt.

Das Kegelzahnrad 4 ist mit der Welle 8 durch eine mit konstanter Drehzahl umlaufendes Gelenk 5 oder ähnliches Bauelement verbunden, wodurch das Kippen der Achszapfen ermöglicht wird, während andererseits die Drehzahl der Welle 8 konstant gehalten wird.

Das Kegelzahnrad 4 ist in bestimmter Winkelstellung gegenüber der Welle 8 mittels eines rohrförmigen Teiles 7 angebracht, der durch ein rund um die Welle 8 laufendes Lager gelagert ist; an dem einen Ende des rohrförmigen Teiles 7 ist ein Rollenlager 14 angebracht, mittels dessen das Zahnrad 4 drehbar gelagert ist. Dieses Lager 14 umfaßt sowohl die axialen als auch die radialen Lager und legt auch das Spiel zwischen den Zähnen der Zahnräder 3, 4 fest. Während das Kegelzahnrad 4 auf der Stirnfläche des Zahnrades 3 abrollt, rotiert der rohrförmige Teil 7 auf der Welle 8 mit der gleichen Drehzahl wie der Berührungspunkt zwischen den Zahnrädern. Ein Gegengewicht 6 in Anbringung an der Verbindung mit dem Gelenk 5 gleicht die Taumelbewegung aus.

Weil das erste Kegelzahnrad 3 ortsfest an dem Maschinengehäuse befestigt ist, erhält das Kegelzahnrad 4 die Möglichkeit, sich lediglich entsprechend der Differenz der Anzahl von Zähnen beider Zahnräder zu drehen, während der Berührungspunkt umläuft. Dadurch wird in vorteilhafter Weise ein hohes Zahnübersetzungsverhältnis lediglich durch Verwendung zweier Zahn-

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räder erzielt.

Die Rollbewegung wird durch eine Gruppe von Hydraulikzylindern erzielt, die parallel zueinander und zu der Well^e8 rund um dieselbe angeordnet sind. Diese Zylindergruppe ist in Bohrungen gelagert, welche vorzugsweise in dem Gehäuseteil 2 vorgesehen sind. Die Bohrungen sind mit Büchsen 10 ausgekleidet» Kolben 9 sind in den Zylindern geführt. An dem unteren Teil der Kolben sind mittels Kugelgelenken oder ähnlicher Bauelemente Gleitschuhe 11 angebracht, durch welche die Kolben wiederum einen Druck ausüben und eine rotierende Taumelbewegung und Rollbewegung auf das Kegelzahrirad 4 übertragen, das der Stirnfläche des ortsfesten Kegelzahnrades 3 gegenübersteht. Diese Bewegung ist ähnlich der Bewegung einer Münze, die auf einer Tischfläche in eine rollende und taumelnde Bewegung gebracht wird.

Die Zylinder sind an Hydraulikfluid durch einen sich drehenden Teil 7 angeschlossen, welcher auch als Verteilerventil wirkt. An der anderen Fläche dieses Teiles sind Verteilernuten 7a ausgebildet, durch welche das Hydraulikfluid durch Verteilerkanäle 8a in den Zylinder strömt. Das Hydraulikfluid strömt in den Ringkanal 2a an der inneren Fläche des Gehäuses für den Teil 7 und tritt durch den anderen Ringkanal 2b aus.

Das andere Ausführungsbeispiel gemäß Pig. 2 umfaßt ebenfalls zwei glockenförmige Gehäuseteile 1, 2, die miteinander verbunden sind, wobei darin auch eine angetriebene Welle 8 mit Lagern 12, 13 an den Gehäuseenden angeordnet ist.

Zwischen den Gehäuseteilen 1, 2 ist ein Kegel- oder Stirnzahnrad 3 rechtwinklig in Bezug auf die Welle 8 angeordnet. Ein anderes Kegelzahnrad 4 steht in Eingriff mit dem ersten Kegelzahnrad 3, wobei die Drehachse des anderen Zahnrades 4 jedoch gegenüber dem ersten Kegelzahnrad 3 verkantet ist. Das Kegelzahnrad 4 rollt dann auf der Stirnfläche des Zahnrades 3 ab, so daß der Berührungspunkt (oder die Berührungslinie) der Stirnflächen der Zahnräder zirkuliert und die

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gedachte Achse des Zahnrades 4 rund um einen gedachten Kegel zirkuliert, dessen Scheitel auf der Mittellinie der Welle 8 liegt.

Das Kegelzahnrad 4 treibt die Welle 8 mittels einea dritten Kegelzahnrades 4a, welches zentral auf der Welle 4 befestigt ist und in Eingriff mit einem vierten Kegelzahnrad 4^steht, das wiederum an dem unteren Ende der Welle 8 .angebracht ist. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das für konstante Drehzahl bestimmte Gelenk 5 durch ein Paar Kegelzahnräder 4a, 4b ersetzt. Das Kegelzahnrad 4a ist in gewissem Maß gegenüber der Welle 8 genauso wie das Zahnrad 3 mittels eines rohrförmigen Teiles 7 verkantet angeordnet, der mit Lagern auf der Welle 8 gelagert ist; ein Paar von lagern H ist zwischen dem rohrförmigen Teil 7 sowie dem Kegelzahnrad 4 angeordnet. Dieses Paar von Lagern 14 nimmt sowohl die axialen als auch die radialen Lagerkräfte auf und bestimmt somit das Spiel zwischen "den Zähnen der Zahnräder 3, 4 sowie 4a, 4b. Während das Kegelzahnrad 4 auf der Fläche des Zahnrades 3 abrollt, dreht sich der rohrförmige Teil 7 rund um die Welle 8 mit der gleichen Drehzahl wie der Berührungspunkt zwischen den Zahnrädern 3, 4 bzw. zv/ischen den Zahnrädern 4a, 4b. Da das Kegelzahnrad 3 ortsfest in dem Maschinengehäuse befestigt ist, dreht sich das Kegelzahnrad 4 rund um seine Achse lediglich in einem Ausmaß, das durch die Differenz zwischen der Zähnezahl der Zahnräder 3, 4 während der Abrollbewegung bestimmt ist. Das Kegelzahnrad 4a, welches an dem Kegelzahnrad 4 befestigt ist, treibt das andere hiermit kämmende Kegelzahnrad 4a nach den gleichen G-rundsätzen an, und zwar ebenfalls entsprechend der Differenz zwischen deren Zähnezahl.

Unter der Annahme, daß die Anzahl der Zähne des KegelZahnrades 4 gleich der Anzahl der Zähne des ortsfesten kämmenden Kegelzahnrades 3 ist, dreht sich das Zahnrad 4 nicht um seine Achse sondern taumelt lediglich in solcher Weise, daß dessen gedachte Achse rund um einen Kegelmantel zirkuliert, dessen Scheitel in dem Punkt P liegt und dessen Kegelwinkel dem Wert oC entspricht. Das Kegelzahnrad 4a taumelt auch nach dem gleichen

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Prinzip, jedoch rotiert das vierte Kegelzahnrad 4b, als Folge dieser Taumel- und Abrollbewegung, in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der Zähnezahl der Zahnräder 4a, 4b. In diesem besonderen Fall, in welchem die Zähnezahl der Zahnräder 3, 4 gleich ist, erhält man einen solchen Vorteil, daß sich das taumelnde Zahnrad 4 nicht dreht und damit keine Gleitreibung unter den Enden der Kolbenstangen hervorruft, wie dies im folgenden Teil der Beschreibung näher erläutert ist.

Die Taumel- und Rollbewegung des Kegelzahnrades wird durch eine Gruppe hydraulischer Zylinder 15 bewirkt, die rund um die Welle 8 in gleichen Winkelabständen angeordnet sind. Die Zylinder bzw. deren Bohrungen sind vorzugsweise in den Gehäuseteil 2 ) eingearbeitet, wobei die Bohrungen mit Büchsen 10 ausgekleidet sind. In den Zylindern sind die Kolben 9 angeordnet, deren ballige Enden an der oberen Stirnfläche des Zahnrades 4 aufgenommen werden. Daher drücken die Kolben jeweils turnusmäßig auf das Zahnrad 4, wobei eine Taumel— und Abrollbewegung des Zahnrades 4 auf der Stirnfläche des ortsfesten Kegelzahnrades 3 hervorgerufen wird.

Die Zylinder werden mit Hydraulikfluid durch den rohrförmigen Teil 7 beaufschlagt, welcher rund um die Welle 8 rotiert und gleichzeitig den Betrieb von Fluidverteilerventilen 16 steuert. Der Teil 7 rotiert durch die Wirkung der Taumelbewegung des Kegelzahnrades 4. Die Fluidverteilerventile 16 sind als " Kolben ausgeführt und mit Einlaß- sowie Auslaßkanälen 17, 18 für das Hydraulikfluid versehen, welches durch die Kanäle 19, 20 strömt, die in die Welle 8 gebohrt sind. Von den Verteilerventilen 16 strömt das Hydraulikfluid in den Zylinder und zurück durch die Kanäle 21. Die Bewegungen der Verteilerventile werden durch Axialnocken 22 bewirkt, welche eine axiale Vor- und Zurückbewegung zu den Ventilkolben zusammen mit der Wirkung von Druckfedern 23 bewirken, die an dem oberen Ende der Ventilkolben angebracht sind.

Der Aufbau gemäß Fig. 2 kann zwei besondere Ausführungaformen hinsichtlich der Formgebung der Welle 8 aufweisen. Die eine in

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der Zeichnung links der Mittellinie veranschaulichten Ausführungsform besteht darin, daß das obere Ende der Welle nach Art eines Kupplungsflansches 24 ausgebildet ist, während das andere Ende der Welle sich voll inerhalb des Gehäuses befindet. Die andere rechts der Mittellinie veranschaulichte Ausfuhrungsform weist eine zylindrische Welle auf, deren Enden aus den Enden des Gehäuses hervorragen.

Durch den Erfindungsgegenstand ergeben sich folgende Vorteile;

Geringe Abmessungen, geringes Gewicht, einfacher Aufbau mit wenigen Teilen, niedrige Herstellungskosten.

Hoher Wirkungsgrad.

Hervorragender Wirkungsgrad der Zahnberührungen, wobei der Wirkungsgrad mit steigendem Übersetzungsverhältnis steigt.

Die Kolbenkräfte bleiben verhältnismäßig gering, wenn sie weit von der angetriebenen Welle gelegen sind. Die durch die Gleitschuhe zwischen den Kolbenenden und der Stirnfläche des taumelnden Kegelzahnrades hervorgerufenen Reibungskräfte sind sehr gering im Vergleich zu dem durch die Welle übertragenen Drehmoment. Auch in dieser Hinsicht steigt der Wirkungsgrad mit steigendem Übersetzungsverhältnis.

Die kleinen Kolben ergeben einen hohen volumetrischen Wirkungsgrad.

Die Seitenkräfte gegen die Kolben sind gering, so daß der Wirkungsgrad des Maschinenteils hoch ist.

Das Startdrehmoment ist so hoch wie das Drehmoment in der dynamischen Phase.

Es sind auch hohe Arbeitsdrücke zulässig.

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Die gleichen Drehmomente durch unterschiedliche Arbeitsdrücke ,.werden erzielt, indem der Durchmesser der Kolben mittels austauschbarer Zylinderbüchsen verändert wird, in gleicher Weise auch dadurch, daß lediglich die Kolben und die Büchsen geändert werden, wobei sich die-Herstellungskosten sehr stark reduzieren, wenn ein weitreichendes Programm von Maschinen verschiedener Leistungen erzeugt werden soll.

Der Verkantungswinkel der taumelnden Kegelzahnradebene nimmt ab, wenn hohe Drehmomente übertragen werden sollen, während im Gegensatz hierzu der Verkantungswinkel bei den hydraulischen Maschinen nach dem Stand der Technik in entsprechenden Fällen zunimmt, was hohe Seitenkräfte gegen die Kolben hervorruft· Bei den bekannten Arten von Axialkolbenmaschinen liegt der Verkantungswinkel der Taumelscheiben zwischen 15 und 20°, während er bei den erfindungsgemäßen Maschinen zwischen 5 und 15° bei einem Durchschnitt von etwa 10° liegt. Die Anwendung dieser Werte ist möglich, weil das Drehmoment durch die normalen Kräfte erzeugt wird, welche gegen die Stirnfläche des taumelnden Zahnrades wirken, während bei den bekannten Axialkolbenmaschinen das Drehmoment durch die Seitenkräfte der Kolben erzeugt wird.

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Claims

Patentansprüche

1. Hydraulische Axialkolbenmaschine, gekennzeichnet durch KoI-' ben (9), welche gegen ein Kegelzahnrad (4) anliegen, das mit Lagern (H) in einer Schiefstellung gegenüber einer angetriebenen Maschinenwelle (8) angeordnet ist, wobei das Kegelzahnrad wiederum in Rollberührung mit einem anderen Kegelzahnrad

(3) oder ähnlichen Bauelement steht, so daß beim-Taumeln

und Abrollen des erstgenannten Zahnrades auf dem zweiten Zahnrad der Berührungspunkt zwischen den Flächen der Zahnräder zirkuliert und eine Drehbewegung auf die Welle überträgt, welche drehbar in Lagern (12, 13) gelagert und mit dem einen

(4) der Zahnräder verbunden ist, während das andere Zahnrad (3) ortsfest mit einem Maschinengehäuse (1, 2) verbunden ist.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das taumelnde und abrollende Kegelzahnrad (4) mit der getriebenen Welle (8) mittels eines Konstantdrehzahl-Gelenkes (5) oder entsprechenden Elementes verbunden ist.

3. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das taumelnde und abrollende Kegelzahnrad (4) mit der getriebenen Welle (8) mittels eines anderen Paares von taumelnden Zahnrädern (4a, 4b) verbunden ist, von denen das erste Zahnrad (4a) an dem Zahnrad (4) befestigt ist, während das andere Zahnrad (4b) an dem Ende der Welle (8) befestigt ist.

4. Maschine nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das taumelnde Kegelzahnrad (4) drehbar in Lagern (14) gelagert ist, welche in verkanteter Stellung gegenüber der getriebenen Welle (8) angeordnet sind.

5. Maschine nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der das Lager (14) auflagernde Teil (7) in Lagern konzentrisch drehbar gegenüber der getriebenen Welle (8) angeordnet ist.

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6. Maschine nach einem der Ansprüche 1-5» dadurch gekennzeichnet, daß der Teil (7), welcher die Lager (H) aufnimmt, als Verteilerelement für Hydraulikfluid ausgebildet ist.

7. Maschine nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil (7) mit Kanälen zur Verteilung des Hydraulikfluids in die Zylinder versehen ist.

8. Maschine nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil (7) mit Hocken (22) versehen ist, welche zur Bewegung von Fluidverteiler-Ventikolben bestimmt sind.

9. Maschine nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (9), welche gegen das taumelnde Kegelzahnrad (4) wirken, in den Zylinderbohrungen angeordnet sind, welche in dem Maschinengehäuse (2) vorgesehen aind.

10. Maschine nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder mit austauschbaren Büchsen (10) versehen sind.

11. Maschine nach einem der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Kolben (9) mit angelenkten Schuhen (11) versehen sind, die gleitend an der Ringfläche des Kegelzahnrades (4) angebracht sind.

12. Maschine nach einem der Ansprüche 1 - 11, dadurch gekennzeichnet, daß das eine der KegelZahnräder (3, 4) ortsfest mit dem Maschinengehäuse (1, 2) verbunden ist.

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