DE2160934A1

DE2160934A1 - Axialkolbenmaschine

Info

Publication number: DE2160934A1
Application number: DE19712160934
Authority: DE
Inventors: Robert J. Hutchinson Kan. Martin (V.StA.)
Original assignee: Cessna Aircraft Co
Current assignee: Cessna Aircraft Co
Priority date: 1970-12-09
Filing date: 1971-12-08
Publication date: 1972-06-29
Also published as: FR2117531A5; GB1370474A; US3698287A; CA938495A

Description

Patentanwalt DIPL.-PHYS. DR. W. LANGHOFF Rechtsanwalt B. LANGHOFF*

β MÜNCHEN 81 ■ WISSMANNSTRASSE 14 - TELEFON 932774 · TELEGRAMMADRESSE: LANGHOFFPATENT MÜNCHEN

München ₃ den 8„Dezember 1971 Unser Zeichen: 64-868

Cessna Aircraft Company, 5800 East Pawnee Road, Wichita, Kansas 67201, USA

Axialkolbenmaschine

Die Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine mit einem Ventileinrichtungen und Fluidsteueröffnungen an einer Stirn= seite aufweisenden Gehäuse und einer Taumelscheibe im gegen= überliegenden Stirnbereich des Gehäuses, mit einer das Gehäuse durchsetzenden Antriebswelle, auf der eine Zylindertrommel sitzt und mit einer Drehverbindung mit der Antriebswelle drehfest verbunden ist, und mit in Zylinderbohrungen der Zylindertrommel sitzenden Kolben, die an einem Ende über Kugelenden an der Taumelscheibe anliegen,

Bei derartigen Axialkolbenmaschinen besteht das Problem, die radial verlaufenden Schubkraftkomponenten der Kolben so zu übertragen, dass die Zylindertrommel möglichst nicht verkantet werden kann, um eine Störung der Ventilsteuerung zu vermeiden Bei einer Verkantung der Zylindertrommel kann nämlich Fluid zwischen den in Berührung stehenden Oberflächen des Gehäuses einerseits und der Zylindertrommel andererseits austreten und dadurch die Zylindertrommel ganz von der gegenüberliegenden

209827/0648

* Ständiger allgemeiner Vertreter nach ff 40 PatAnwO, zugalaaaen bei den Landgerichten München I und II.

216093A

Steueröffnungsplatte abheben«. Unter Umständen wird dadurch die Maschine zerstört₀

Bei bekannten Axialkolbenmaschinen hat man nicht nur versucht, die Zylindertrommel durch entsprechend starre Dimensionierung der gesamten Anordnung gegen Kippbewegungen zu sichern, was einen erheblichen Aufwand erfordert, sondern hat auch bereits versucht, die Zylindertrommel so auf der Antriebswelle zu lagern, dass sie bei einer Durchbiegung derselben sich nur quer bewegt, jedoch auf der Steueröffnungsplatte noch ganz anliegt ο Für einen richtigen Betrieb einer derartigen Axialkolbenmaschine ist es erforderlich, dass die Lastiibertragungsstelle von der Zylindertrommel auf die Antriebswelle genau mit der resultierenden Querkraft der Kolbenechübe fluchtete Auf dieee Weise wird erreicht, dass keine in einer axialen Ebene drehenden Kräfte auf die Zylindertrommel einwirken. Eine derartige Axialkolbenmaschine ist beispielsweise in dem USA-Patent 2,642,810 beschrieben., Als Drehverbindung ist dabei eine Keilnutenverbindung mit balligen Keilnuten verwendet, um eine universal· gelenkartige Bewegung zwischen Zylindertrommel und Antriebswelle zu gewährleisten,, Die Kraftübertragungsatelle zwischen Zylindertrommel und Antriebswelle liegt dabei an der höchsten Stelle der balligen Keilnuten, und diese sind wiederum so angeordnet, dass die höchsten Stellen mit der resultierenden Querkraft fluchten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Axialkolbenmaschine zu schaffen, welche eine längere Lebensdauer aufweist als die bekannten Maschinen, grössere Herstellungst ο Ie ranz en ermöglicht und ohne ballige Keilnuten auskommt <,

Die Lösung dieser Aufgabe ist im wesentlichen darin zu sehen, dass die Keilnutenverbindung flache (nicht ballige) Keilnuten auf der Antriebswelle und an der Zylindertrommel umfasst,

209827/06A8

dass die Keilnuten an der Zylindertrommel sich bis an die von der einen Stirnfläche abgewandten Aussenkante der Zylinder«- trommel erstrecken» dass diese Aussenkante die Achse der Antriebswelle an derselben Stelle schneidet wie die von den Kugelenden ausgeübte resultierende Querkraft der Kolbenschübe_f und dass die Stelle maximaler Ausbiegung der Antriebswelle unter einer Querkraft zwischen der Mitte der Keilnutenverbindung und der einen Stirnfläche liegt»

Die Erfindung ist in folgenden anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel ergänzend beschriebene

Figur 1 ist ein Axialschnitt einer Axialkolbenmaschine nach der Erfindung»

Figur 2 ist eine Schnittansicht in Richtung der Pfeile 2-2 von Figur 1»

Figur 3 zeigt in übertriebener Darstellung Teile der Maschine unter Belastung»

Figur ♦ ist ein Schnitt längs der Linie 4-4 von Figur 3 ο

Figur 5A ist eine ebene Projektion eines kreisförmigen Abschnittes entlang der Linie 5-5 von Figur 4, und

Figur 5B ist eine der Figur 5A entsprechende Ansicht, jedoch bei einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik»

Figur 1 zeigt eine als Pumpe oder als Motor verwendbare Axialkolbenmaschine 10 mit einem zweiteiligen Aussengehäuse, das aus eines hohlen Gehäusekäfig 11 und einer damit fest verbundenen Steueröffnungsplatte 12 besteht„ Durch das Aussengeh&use erstreckt eich eine Antriebswelle 13 axial hindurch und ist in Lagern 14 und 15 in dem Gehäusekäfig 11 bzw«, der

209827/0648

Steueröffmingsplatte 12 gelagert* wobei ein End© 16 der Antriebswelle nach aussen durch das Gehäuse hindurchragt und entweder bei Pump exibe trieb mit einer Antriebsmaschine oder bei 'Mot© rbetrieb mit einer anzutreibenden Maschine verbunden, isto Innerhalb des Gehäusekäfigs 11 liegt eine schwenkbare Taumelscheibe Vl₉ welche mit Zapfen (nicht dargestellt) normal zur Antriebswelle in dem Gehäusekäfig 11 gelagert ist=,

Die Antriebswelle weist Keilnuten 19 auf"„ auf der eine Zylindertrommel 18 drehfest gehalten isto Diese: Keilnutenverbindung umfasst miteinander in Eingriff stehende., axial flacns _k gerade Zähne von Evolventenform auf der Zylindertrommel und auf der Antriebswelle« Die in der Figur linke Stirnfläche 20 der Zylindertrommel 18 erstreckt sich normal, zur Wellenachse und liegt an der Stirnfläche 21 der Steueröffnungsplatte IE as_a Diese Stirnfläche 21 $ eist ein Paar bogenförmige; Steuerachlitze 22 und 23 auf (Figur 2}. welche mit: Fluideinlassöffnunge» 24- und Fluidaualassöffnungen 25 in der feststehenden Steueröffmingsplatte in Verbindung sind_o Zwischen: d.er linken Stimfläehe 20 und der Stirnfläche 21 besteht ein Ftaidlager, das die Zylindertrommel axial abstützt und die St-iraflachen 20 und 21 schmiert_o Bei Drehung der Zylindertrommel gelangen öffnungen 26 in derselben abwechselnd in Verbindung mit äen Steuersehlitzen 22 und 23, so dass Fluid aus- oder eintreten kann_a Jede Öffnung 26 mündet in einer axialen Zylinderbohrung 27, welche insgesamt symmetrisch um die Wellenachse angeordnet sindo In üen Zylinderbohrungen sind Kolben 28 hin und herbeweglich angeordnete Diese Kolben weisen an einem Ende kugelförmige Enden 29 auf₉ welche über die Zylindertrommel nach aussen vorragen und an der Taumelscheibe 17 angreifenο

Auf den kugelförmigen Enden 29 sitzen Gleitschuhe 30, welche an der geneigten Taumelscheibe angreifen und Bich durch öffnungen in einer Halteplatte 33 erstrecken, die einen Kugelpfannensitz

209827/0648

^ßAD

aufweists der an einen komplementär geformten Kugelpfannenlager 34 angreifte Die durch einen Pfeil angedeutete Schubkraft 31» welche über den Mittelpunkt des kugelförmigen Endes

29 und normal zu der Taumelscheibenoberfläche verläuft, drückt den Kolben 28 bei Drehung der Zylindertrommel nach innen. Diese Schubkraft lässt sich zerlegen in eine axiale Komponente, welche in Richtung der Kolbenachae wirkt, und in eine dazu quergerichtete Komponente 32„ Dieae quergeriehtete Komponente ist die an der Maschine angreifende seitliche Last, welche das Antriebsdrehmoment bildet, das zwischen den Kolben und der Zylindertrommel übertragen wird»

In einer zentralen Bohrung der Zylindertrommel sitzt eine Feder 35, welche über eine Anzahl von symmetrisch um die Achse herum angeordnete Schubstangen 36 auf das Kugekpfannen~ lager 34 drückt und dieses gegen die Halteplatte 33 nach rechte vorspannt ο Diese federkraft wird tfber die Gleitschuhe

30 übertragen und drückt die Kolben 28 nach aussen gegen die geneigte !taumelscheibe* Die !feder 35 liegt mit ihrem anderen Ende an einem auf der Welle festsitzenden Sprengring 37 an* Die Schubstangen 36 liegen radial innerhalb der Zylindertrommel und verlaufen durch den Keilnutenbereich₀ Jede Schubstange 36 (in Figur 4 sind zwei dargestellt) liegt in einer öffnung, welche durch einen fehlenden Keilnutenzahn an der Zylindertrommel oder an der Welle gebildet isto Der gerade Keilnutenverlauf unterscheidet sich von den üblichen kronenförmigen Keilnuten und ermöglicht ein leichtes Einfügen der Schubstangen 36 in die betreffenden öffnungen,, Die Pestig« keit des nach vorne sich erstreckenden Haiebereiche der Zylindertrommel wird wesentlich erhöht durch die Anordnung der Schubstangen 36 im Bereich der Kellnutenverbindung anstatt durch den Haiabereich selbst·

Im Betrieb herrscht in mehreren Kolbenkammern 27 gleichzeitig

209827/0648

ein hoher Druck über einen der Steuerschlitze 22 und 23, eo dass demgemäss auch die betreffenden Kolben eine quergerichtete Komponente 32 auf die Zylindertrommel ausübeno Diese quergerichteten Komponenten wirken über die Mitten der kugelförmigen Enden 29 und ergeben eine quergerichtete Gesamtkraft, welche in einer Ebene 38 wirkt, die die Antriebewelle etwa an der Stelle 39 schneidet, an der die die Mitten der kugelförmigen Enden 29 enthaltende Ebene 40 ebenfalls die Wellenachse schneidet«, Dieser Zustand ist in Figur 3 dargestellt, in der vier Kolben unter Druck stehen und die vier zugeordneten quergerichteten Komponenten 32 eingetragen sindο Die sich daraus ergebende resultierende Querkraft 41 ändert sich geringfügig während des Laufs der Maschine, da sich auch die Anzahl der unter Druck stehenden Zylinder ändert, nämlich beim Wechsel der einzelnen Zylinder,, Über eine ganze Umdrehung gemittelt hat die resultierende Querkraft 41 jedooh die dargestellte Grosseο

Um zu gewährleisten dass die Querkomponentenlagerung für die Zylindertrommel in einer Linie mit der resultierenden Querkraft

41 liegt, so dass keine in einer Axialebene liegenden Dreb> momente an der Zylindertrommel angreifen, liegt die Aussenkante

42 der Zylindertrommel in der Ebene 38 in direkter Flüchtling mit der resultierenden Querlcraft 41o Die Ebene 38 ist also das rechte Ende der Keilnutenverbindung 19, während das linke Ende am Ende 43 der Keilnutenzähne auf der Antriebswelle liegt· Diese Antriebsverbindung erstreckt sich in axialer Richtung über eine Entfernung, in der die Keilnutenzähne der Antriebswelle mit denen der Zylindertrommel in Eingriff stehen.»

Die Antriebswelle 13 verbiegt sich unter der Wirkung der resultierenden Querkraft 41 nach unten, wie in Figur 3 Übertrieben dargestellt isto Die Lager 14 und 15 für die Antriebswelle 13, die Lage der Keilnuten und der Durchmesser der Welle oder deren Durchmesser bei Verwendung abgestufter Wellen sind so gewählt, dass die maximale Durchbiegung der

2Q9827/0648

BAD ORIGINAL

Antriebswelle in der Ebene 44 erfolgt _t »v eiche innerhalb oder links von dem Ende 43 der Keilnutenverbindung liegt, also zwischen dem Ende 43 und dem Ende 20 der Zylindertrommel«, Rechts von der Ebene 44 verläuft die Wellenachae also nach oben gekrümmt, so dass die Zylindertrommel also an der rechten Aussenkante 42 und in der Ebene 38 abgestützt v/irdo Die Zylindertrommel 3.8 bewegt sich also in Querrichtung von ihrer gestrichelt dargestellten ursprünglichen Lage nach unten» verschwenkt sich jedoch nicht, da ihre Lagerstelle in Fluchtung mit der resultierenden Querkraft 41 liegte Die Keilnutenverbindung 19 muss natürlich ein genügendes Durchmesserspiel auf-» WeIsAn₁Um eine kleine Relativbewegung zwischen Zylindertrommel und Antriebswelle zu ermöglichen, entsprechend der Differenz zwischen der radial aus lenkenden Bewegung der Zylindertrommel und der winkelförmigen Verbiegung der Antriebswelle 13 um die Ebene 44 ο

Die effektive Länge der Keilnutenverbindung, dass heisst, die Länge von der Auesenkante der Zylindertrommel nach innen sollte so kurz wie möglich sein, wie es gerade noch zur Übertragung der auftretenden Kräfte erforderlich ist» Auf diese Weise kann auch das nötige Durchmeseerspiel für die Relativbewegung zwischen Zylindertrommel und Welle klein gehalten werden, während eine lange Keilnutenverbindung auch ein gröseeres Durchmesserspiel erfordert*

Die Figuren 4 und 5A zeigen, wie die Lagerstelle in Fluchtung mit der resultierenden Querkraft 41 an der Aussenkante 42 bleibt» Wenn man annimmt, dass der rechte Steuerschlitz in Figur 2 unter hohem Druck steht und die Welle mit der Zylindertrommel sich in den Figuren 2 und 4 im Gegenuhrzeigersinn drehen, so wird die quergerichtete Komponente der Zylindertrommel in erster Linie durch das rechte Ende der Keilnutenverbindung übertragen, deren Zähne in der Ebene

209827/06A8

angreifen,, Figur 5A ist eine ebene Projektion der in Eingriff stehenden Zähne 45 und 46 der Antriebswelle und der Zylindertrommelο Während der Auelenkung der Antriebswelle verbiegen sich die nichtgekrümmten Zähne 45 von der Ebene 44 aus nach oben und liegen lediglich an der Aussenkante 42 an der Zylindertrommel 18 an«,

Figur 5B zeigt die entsprechenden Verhältnisse bei einer bekannten Maschine, bei der die Ebene 44' der maximalen Auslenkung der Welle nicht genau zwischen der Mitte der Antriebsverbindung und dem Steueröffnungsende der Zylindertrommel liegt ο Die Ebene maximaler Auslenkung liegt viel-

P mehr rechts von der axialen Mitte der Keilnutenverbindungο Die Welle und der gerade Zahn 45 derselben krümmen eich in beiden Richtungen von der Ebene 44' aus nach oben, so dass je nach der Gestalt der Krümmungskurve die Berührung zwischen den Zähnen 45 und 46 an beiden Enden der Keilnutenverbindung oder irgendwo dazwischen bestehen kann» Demgemäse verschiebt eich die QuerabStützung der Zylindertrommel, die durch den Pfeil 47 angezeigt ist, beispielsweise zu dem Ende 43 hin· Die fehlende Fluchtung zwisohen dieser Querabstützung 47 und der resultierenden Querkraft 41 erzeugt ein Kippmoment auf die Zylindertrommel, welches bestrebt iet_r die linke Stirnfläche 20 in Bezug auf die Stirnfläche 21 der Steueröffnungsplatte

* 12 zu kippen» Es sei erwähnt, dass bei einer Lage der Ebene maximaler Auslenkung rechts von der Aussenkante 42 ein Kippmoment auf das gegenüberliegende Ende 43 der Keilnutenverbindung ausgeübt wird und ebenfalls ein Kippmoment auf die Zylindertrommel ent s tent·

Wenn man annimmt, dass die Ausbiegungskurve der Antriebswelle 13 symmetrisch zur Ebene 44 verläuft, dann bleibt die Abstützstelle genau an der Aussenkante 42, solangedie Ebene links von der axialen Mitte der Keilnutenverbindung liegt·

209827/0648

Die maximale Auslenkung der Antriebswelle muss also zwischen der axialen Mitte der Keilnutenverbindung und der linken Stirnfläche 20 der Zylindertrommel liegeno Obwohl die Biegung der Antriebswelle im allgemeinen symmetrisch zu der Stelle maximaler Biegung verläuft, braucht dies nicht immer der Pail zu sein, und die Lage der Ebene 44 kann dann zuver» lässiger zwischen dem Ende 43 und der linken Stirnfläche 20 liegeno Die Lage der Ebene 44 links von dem Ende 43 in Figur 5A gewährleistet am besten die richtige Lagerung der Zylindertrommel bei einer Ausbiegung der Antriebswelleο

Die Berührung zwischen den Zähnen 45, 46 und der Aussenkante 42 bewirkt eine Materialabnutzung, welche die Zähne so formt, dass sie die auftretende Last am besten aufnehmen₀ Die Verwendung von flachen Keilnuten, wie sie gemäss der Erfindung vorgesehen ist, ergibt eine bessere Vorhersehbarkeit des Verlaufs der Abnutzung während der Lebensdauer der Maschine, wobei trotz der Abnutzung die Lastaufnahme an der Aussenkante 42 gewährleistet bleibt» Dagegen ist die Abnutzung zwischen balligen Keilnuten, wie sie bisher verwendet wurden, weniger vorhersehbar, da sich die Lastübertragungsstelle durch den Umstand verschiebt, dass die Spitze der balligen Keilnuten sich mit der Abnutzung verschiebt. Bei der Maschine nach der Erfindung wird sowohl die Lebensdauer vergrössert als auch eine Zerstörung der günstigen Wirkung nach langer Betriebszeit vermiedene

Es ist in manchen Fällen vorteilhaft, die Lage der Steuerschlitze 22, 23 von Figur 2 aus einer symmetrischen Anordnung heraus zu ändern«, In manchen Fällen ist es zum Beispiel günstig, wenn man den druckführenden Steuerschlitz 23 geringfügig im Gegenuhrzeigerainn verdrehen kannj, so dass ein grösserer Bereich oberhalb der Mittellinie 48 liegt ala unterhalb derselben,, Dies ändert auoh die Lage der

209827/0648

resultierenden Querkraft 41 und verschiebt die Ebene 38, so dass diese die Wellenachse etwas linke von der Stelle schneidet, wo die Ebene 40 die Wellenachae schneidet« Eine Verstellung des Steuerschlitzes 23 im Uhrzeigersinn bewegt die resultierende Querkraft 41 und die zugehörige Ebene 38 von der Stelle 39 nach rechts,, Durch die Stellung der Steuerschlitze lässt sich die Maschine so ausbilden, dass die Aussenkante 42 der Zylindertrommel genau mit der resultierenden Querkraft 41 fluchtet, unabhängig davon, ob diese mit der Stelle 39 fluchtet, also der Stelle, durch die die Ebene der kugelförmigen Enden verläuft _o Die Lage der resultierenden Querkraft 41 kann sich etwas mit der Drehzahl und dem Betriebsdruck der Maschine ändern_o Wenn man die Bemessung so vornimmt, dass die Aussenkante 42 bei Normalbedingungen mit der resultierenden Querkraft 41 zusammenfällt, ergibt sich eine lange Lebensdauer und eine zuverlässige Wirkungsweiseο Das Zusammenfallen der resultierenden Querkraft 41 und der Aussenkante 42 kann zwar nicht unter allen Betriebsumständen gewährleistet werden, jedoch ergibt die oben angeführte Annäherung optimale Ergebnisse_o

Die Erfindung läßt eich auch realisieren unter Verwendung einer anderen Drehverbindung als einer Keilnutenverbindung.

209827/06 A 8

Claims

Pat entana prtiche

Axialkolbenmaschine mit einem Ventileinrichtungen und Fluidsteueröffnungen an einer Stirnfläche aufweisenden Gehäuse und einer Taumelscheibe im gegenüberliegenden Stirnbereich des Gehauees, mit einer das Gehäuse durchsetzenden Antriebswelle, auf der eine Zylindertrommel eitst und mit einer Keilnutenverbindung mit der Antriebswelle drehfest verbunden ist, und mit in Zylinderbohrungen der Zylindertrommel sitzenden Kolben, die an einem Ende Über Kugelenden an tier Taumelscheibe anliegen, dadurch gekennzeichnet, dass die Keilnutenverbindung flache (nicht ballige) Keilnuten (45» 46) auf der Antriebswelle (13) und der Zylindertrommel (18) umfasst, dass die Keilnuten an der Zylindertrommel (18) eich bis an die von der einen Stirnfläche (20) abgewandten AueBenkantβ (42) der Zylindertrommel erstrecken, dass diese Aussenkante (42) die Achse der Antriebswelle (13) an derselben Stelle (39) schneidet wie die von den Kugelenden (29) ausgeübte resultierende Querkraft (41) der KolbenBChUbe, und dass die Stelle (44) maximaler Ausbiegung der Antriebswelle unter einer Querkraft z.vischen der Mitte der Kellnutenverbindung (19) und der einen Stirnfläche (20) liegt»

209827/0648

Axialkolbenmaschine nach Anspruch l_f dadurch gekennzeichnet , dass die Stelle maximaler Ausbiegung der Antriebswelle zwischen der Aussenkante (42) und der einen Stirnfläche (20) der Zylindertrommel (18) liegtο

ο Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2₉ dadurch

gekennzeichnet _y dass die die Mittelpunkte der kugelförmigen Enden(29) enthaltende Ebene und die die quergerichteten Komponenten (32) enthaltende Ebene die Achse der Antriebswelle (13) an derselben Stelle fe schneiden«

ο Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzei chnet , dass die die Mittelpunkte der kugelförmigen Enden (29) enthaltende Ebene die Achse der Antriebswelle an einer anderen Stelle schneidet ale die die quergerichteten Komponenten (32) der Schubkraft (31) enthaltende Ebene.

β Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet _y dass die Drehverbindung eine Keilnutenverbindung bildet»

ü 6 ο Axialkolbenmaschine nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet , dass die Zylindertrommel (18) eine zentrale Bohrung im Bereich zwischen der einen Stirnfläche (20) und der Keilnutenverbindung (19) aufweist» dass an der der Taumelscheibe (17) zugewandten Stirnfläche der Zylindertrommel (18) ein Kugelpfannenlager (34) sitzt, dass in der Bohrung eine Feder (35) untergebracht ist, die mit ihrem der einen Stirnfläche (20) zugewandten Ende an der Antriebswelle (13) abgestützt ist und mit ihrem anderen Ende über Schubstangen (36) an dem Kugel-

209827/0648

pfannenlager (34) angreift, und dass eine. Halteplatte (33) auf dem Kugelpfannenlager sitzt₉ welche an den kugelförmigen Enden (29) sitzende Gleitschuhe (30) gegen die Taumelscheibe (17) drückt < >

ο Axialkolbenmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet ₉ dass die Schubstangen (36) sich durch Zwischenräume zwischen der Keilnutenver= bindung (19) hindurch erstrecken

Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1 bis I₉ dadurch gekennzeichnet , dass die Keilnutenver~ bindung (19) ein geringes radiales Spiel aufweisto

209827/0648

Leerfeite