DE2165781A1

DE2165781A1 - Hydraulikmotor oder -pumpe

Info

Publication number: DE2165781A1
Application number: DE19712165781
Authority: DE
Inventors: Yasuo Kyoto Kita (Japan)
Original assignee: Shimadzu Seisakusho Ltd., Kyoto (Japan)
Priority date: 1970-12-30
Filing date: 1971-12-30
Publication date: 1972-07-20
Also published as: DE2165781C2; GB1337070A; FR2121116A5; JPS5122644B1

Description

Patentanwälte
Df. Ing. H. Negendank , Dipl. Ing. H. Hauck Dip!. Phys. VV. Schmitz «München 15, Kos Tel. 5 3Ö0S86

Shimadzu Seisakusho , L.td.

30.Dezember 1971

378 Ichinofunairi-cho ,Nijyo-Sagaru,

KawaramachidorijNakagyo-ku, . _. . . „ . _oo,

Kyoto, Japan Anwaltsakte M 1885

Hydraulikmotor oder -pumpe

Die Erfindung "betrifft Hydraulikmotoren und -pumpen. Der Einfachheit halber wird im nachfolgenden jedoch in erster Linie von Hydraulikmotoren gesprochen.

Es sind Hydraulikmotoren bekannt, die ein Gehäuse enthalten, das mehrere radial um einen schwimmend gelagerten Druck"block gruppierte Hydraulikzylinder und eine im Gehäuse gelagerte Welle aufweist, die mit einem in einer zylindrischen Bohrung des Druckblocks arbeitenden Exzenter versehen ist, wobei die Hydraulikzylinder den Flüssigkeitsdruck an den Druckblook übertragen und dieser infolgedessen in eine kreisende Bewe gung versetzt wird, mit der Folge, daß entweder der Exzenter mit der Motorwelle oder bei stationärer Anordnung der Welle das Motorgehäuse und die Hydraulikzylinder in Drehung versetzt werden«

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Derartige Hydraulikmotoren sind im allgemeinen in doppelter Hinsicht einem Energieverlust unterworfen, nämlich mechanischen Reibverlusten sowie Leckverlusten der Hochdruckflüssigkeit, was zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades führt. Die mechanische Reibung, hauptsächlich in Form von Gleitreibung, hat eine Verkürzung der Lebensdauer der Bauteile zur Folge· Die Druckflüssigkeitsleckage führt beim Umwälzen zu einer Temperaturerhöhung der Druckflüssigkeit. Infolge der Temperaturerhöhung der Arbeitsflüssigkeit verringert sich die Viskosität der Flüssigkeit, was eine weitere Druck— mittelleckage mit sich bringt.

Eine Anordnung von hydrostatischen Lagern an den Gleitflächen der Hauptbauteile eines Hydraulikmotors, durch die jedes Hauptbauteil im wesentlichen vollkommen in ein hydrostatisches Gleichgewicht gebracht wird, würde eine beträchtliche Minderung des Reibverlustes an den mechanischen Druckgleitflächen ergeben und ferner eine Verringerung des Leckverlustes auf ein Minimum ermöglichen. Durch eine solche Maßnahme läßt sich somit das Betriebsverhalten beträchtlich verbessern und ein Hydraulikmotor schaffen, der über einen sehr hohen Wirkungsgrad verfügt und sich für den Hochdruckbetrieb eignet.

Es ist bekannt, hydrostatische Lager zwischen dem Kolben und dem Druckblock oder zwisohen dem Kolben und dem Gehäuse

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von Hydraulikmotoren oder -pumpen der oben besehriebenen Art zu verwenden. Beispielsweise enthalten die aus der G-B-PS 886 923 oder der TJS-PS 3 036 557 bekannten Hydraulikmotoren ein Gehäuse, eine Welle, eine Lagerung zum drehbaren Abstützen der Welle am Gehäuse, einen an der Welle vorgesehenen Exzenter, einen im Gehäuse und um den Exzenter angeordneten Druckblock, der eine Bohrung für eine Relativdrehung zwischen Druckblock und Exzenter aufweist, mehrere radial um die Wellenachse gruppierte Hydraulikzylinder, die in einer gemeinsamen, senkrecht zur Wellenachse verlaufenden Ebene liegen und entweder im Gehäuse oder im Druckblock angeordnet sind, jeweils einen in jedem Zylinder verschiebbar angeordneten Hohlkolben, Pedereinrichtungen, die den Kolben gegen den Druckblock bzw. das Gehäuse andrücken, einen Drucksperring an der Berührungsfläche zwischen dem Kolben und dem Druckblock bzw. dem Gehäuse, wobei im Ring und in dem dem Ring benachbarten Kolbenende miteinander und mit dem Kolbeninneren in Verbindung stehende Durchlässe vorgesehen sind, und eine im Druckblock ausgebildete Öffnung zur Verbindung der Bohrung des Druckblocks mit dem durch das Kolbeninnere und die Durchlässe gebildeten Strömungsmittelraum, wodurch die während des Betriebs des Motors den Zylindern nacheinander zugeftihrte Druckflüssigkeit ohne Zuhilfenahme von mechanischen Einrichtungen eine unmittelbare Druckkraft auf den Exzenter ausübt. Wegen der Anordnung

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des Drucksperrings ist es möglich, daß die Druckflüssigkeit über eine vom Ring eingeschlossene Fläche wirksam ist und somit der Druckblock im Gleichgewicht gehalten wird, und ferner wird eine Fehlausrichtung zwischen der Fläche des Druckblocks und dem inneren Kolbenende ausgeglichen.

Bei diesen bekannten Hydraulikmotoren ist die Druckkammer für das hydrostatische Lager entweder im Druckblock oder in

der Innenfläche des Gehäuses ausgebildet. Da eine relative Gleitbewegung zwischen der oberen oder unteren Kolbenstirnfläche und der zugeordneten Innenfläche des Gehäuses oder des Druckblocks stattfindet, kann die im Gehäuse oder im Druckblock ausgebildete Druckkammer für die hydrostatische Lagerung nicht in fluchtender Ausrichtung zur Kolbenachse gehalten werden. Dies führt zu einem seitlich gerichteten Moment, das von der Zylinderwandung aufgenommen werden muß. Jegliche Druckkraft, die an der Zylinderwandung angreift, hat jedoch eine Erhöhung der Reibung zwischen dem Kolben und dem Zylinder zur Folge. Um andererseits das am Kolben angreifende Moment durch den Zylinder abzuführen, muß die Eingriffslänge des Kolbens im Zylinder verhältnismäßig groß sein. Eine große Eingriffslänge des Kolbens ist jedoch von Nachteil, weil die Abdichtung zwischen der oberen oder unteren Kolbenfläche und der zugeordneten Fläche des Gehäuses oder des Druckblocks leicht verlorengeht, da ein seitliches

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Ausweichen des Kolbens gegenüber dem Zylinder von dem Zylinder vollständig verhindert wird.

Erfindungsgemäß soll ein Hydraulikmotor geschaffen werden, der insbesondere beim Start und im niedrigen Drehzahlbereich über ein ausgezeichnetes Betriebsverhalten verfügt, oder bei dem der Unterschied zwischen dem Anfahrmoment und dem Betriebsmoment äußerst klein ist und der sich durch einen äußerst weichen Lauf ohne ruckartiges Festklemmen (slip-stick) des Gehäuses auszeichnet.

Insbesondere soll erfindungsgemäß ein Hydraulikmotor oder eine Hydraulikpumpe geschaffen werden, bei der die Abstützung der belasteten Gleitflächen der Hauptbauteile durch eine hydrostatische Lagerung erfolgt und dadurch der durch mechanische (gegenständliche) Berührung an belasteten Gleitflächen hervorgerufene ITlaehen-Anlagedruck äußerst klein gehalten wird und der Reibverlust an den belasteten Gleitflächen sowie insbesondere nachteilige, durch Ooulomb-Reibung verursachte Störwirkungen ebenso wie ein Verschleiß weitgehend ausgeschaltet werden, so daß der Motor oder die Pumpe über eine lange Lebensdauer verfügt und auch bei hohen Drücken verwendbar ist.

Zu diesem Zweck schafft die Erfindung einen verbesserten Hydraulikmotor oder eine -pumpe, bei der der während des

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Betriebs den Zylindern nacheinander zugeführte Strömungsmitteldruck unmittelbar eine Druckkraft auf den Exzenter ausübt» Die erfindungsgemäße Hydraulikmotor- oder -pumpeinrichtung enthält ein Gehäuse, eine Welle, eine Lagerung zur drehbaren Abstützung der Welle am Gehäuse, einen an der Welle vorgesehenen Exzenter, einen im Gehäuse und um den Exzenter angeordneten Druckblock, der eine Bohrung für eine Relativdrehung zwischen Druckblock und Exzenter aufweist, mehrere im Druckblock ausgebildete, radial um den Exzenter gruppierte Hydraulikzylinder, die in einer gemeinsamen, senkrecht zur Wellenachse verlaufenden Ebene liegen, jeweils in den Zylindern verschiebbar angeordnete, mit äußeren Stirnflächen versehene Kolben, ebene Anlageflächen auf der Gehäuseinnenfläche zum Zusammenwirken mit den entsprechenden äußeren Stirnflächen der Kolben, Druckeinrichtungen, die die Kolben während des Betriebs des Motors oder der Pumpe an die Anlageflächen des Gehäuses andrücken, und Öffnungen ™ im Druckblock zur Verbindung der Bohrung des Druckblocks mit dem Inneren der Zylinder, wobei die während des Betriebs des Motors oder der Pumpe den Zylindern nacheinander zugeführte Druckflüssigkeit den Exzenter unmittelbar mit einer Druckkraft beaufschlagt. Erfindungsgemäß ist eine verbesserte hydrostatische Drucklagerung vorgesehen, durch die jeder Kolben im Druckgleichgewioht gehalten wird. Die hydrostatische Drucklagerung enthält eine in der äußeren Kolbenstirn-

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fläche fluchtend zur Korbenachse ausgebildete mitirige Ausnehmung und einen in jedem Kolben angeordneten, die Ausnehmung mit dem Inneren des Zylinders verbinden*«! Strömungsmitteldurchlaß. Vorzugsweise ist die Größe der Druckangriffsfläche der in der äußeren Korbenstirnfläche ausgebildeten Ausnehmung für eine äruckausgeglichene Halterung des Kolbens in Richtung der Kolbenachse ausreichend. Der Kolben kann lediglich über einen begrenzten Teil seiner Länge mit der ZyIinderinnenwand zusammenwirken. Dabei ist der mit der Zylinderinnenwand zusammenwirkende begrenzte Teil der Kolbenlänge zweckmäßigerweise weniger als 1/10 des Kolbendurchmessers«

Bei der erfindungsgemäßen Hydraulikmotor- oder -pumpeinrichtung wird auf einer Seite des Wellenexzenters in Radialrichtung mindestens eine Hochdruck-Flüssigkeitssäule aufgebaut, wobei der Hydraulikdruck unmittelbar zur Erzeugung eines Drehmoments an der Welle dient, und ferner werden der Druckblock und die Kolben im wesentlichen vollkommen im hydrostatischen Gleichgewicht gehalten. Der Eingriff zwischen dem Kolben und dem dazu passenden Zylinder kann nahezu auf eine Linienberührung beschränkt sein, so daß der •Kolben bezüglich des Druckblocks über eine gewisse Bewegungsfreiheit verfügt, wodurch eine innige Berührung zwischen der äußeren Stirnfläche des Kolbens und der Gehäuseinnenfläche gewährleistet wird.

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Das Gehäuse des Motors oder der Pumpe ist vorzugsweise mit einem Entlastungskanal versehen, durch den Leckmittel vom Gehäuseinneren zu einem außerhalb des Gehäuses befindlichen Vorratsbehälter abführbar und wahlweise dem Gehäuseinneren zwecks eines Leerlaufbetriebs des Motors oder der Pumpe auch zeitweilig Druckflüssigkeit zu/ührbar ist.

. In besonders bevorzugter Weise ist der Exzenter an seiner Außenfläche konisch ausgebildet und der damit zusammenwirkende Druckblock folglich mit einer konischen Mittelbohrung versehen, die mit der konischen Außenfläche des Exzenters zusammenwirkt und relativ zu dieser drehbar ist, und die Anlageflächen des Gehäuses verlaufen ebenfalls in Ebenen, die parallel zur Erzeugenden der konischen Außenfläche des Exzenters liegen. Hierdurch wird der Paßsitz zwischen dem Exzenter und dem Druckblock verbessert, wodurch wiederum . die maschinelle Herstellung des Exzenters und der Mittel-

bohrung des Druckblocks erleichtert werden.

Die erfindungsgemäße Hydraulikmotor- oder -pumpeinrichtung verfügt im Vergleich zum Verdrängungsvolumen über geringe Außenabmessungen; die umlaufenden Bauteile haben im Verhältnis zum erzeugten Drehmoment ein niedriges Trägheitsmoment; verglichen mit dem Verdrängungsvolumen ist das Kompressionsvolumen klein; die Motor- oder Pumpeinrichtung enthält

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wenige Bauteile, ist leicht herzustellen und "billig; sie verfügt über eine einfache Bauweise und über einen erhöhten Wirkung sgrad.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden beispielsweisen Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen:

Figur 1 einen Axialschnitt eines erfindungsgemäß ausgebildeten Motors längs der Linie 1-1 der Mg.2;

Figur 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 der Fig.1;

Figur 3 die Darstellung des Druckausgleichs am Kolben eines in den Fign. 1 und 2 gezeigten Motors;

Figuren Darstellungen zur Erläuterung des Druckaus-4(a),4(b)

gleiche des Druckblocks des _:in den Fign· 1 und

2 gezeigten Motors;

Figuren Darstellungen zur Erläuterung des Prinzips der 5 und 6

Drehmomentenerzeugung an der Welle bzw. dem

Gehäuse des in den Fign. 1 und 2 gezeigten Motors;

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Figur 7 eine Darstellung zur Erläuterung des Arbeitsprinzips des erfindungsgemäßen Motors;

Figur 8 eine Teildarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Die Erfindung wird anhand zweier Ausführungsbeispiele
erläutert; die erfindungsgemäie Einrichtung läßt sich zwar auch als Pumpe verwenden, wird jedoch im nachfolgenden für den Anwendungsfall eines Hydraulikmotors beschrieben.

Bei dem in den Figuren 1 und 2 gezeigten Hydraulikmotor ist eine Motorwelle 11 durch zwei Rollenlager 12,13 drehbar abgestützt, die in einem Gehäuse 14 gehaltert sind. Das Gehäuse 14 enthält eine Seitenwand 14(a), einen Vorderdeckel 14(b) und einen Hinterdeckel 14(c). Die Vorder- und Hinterdeckel 14(b) und 14(c) tragen die Rollenlager 12 bzw. 13.

Zwischen den beiden Lagern 12 und 13 ist die Welle 11 mit einem Exzenter 15 versehen. Der Exzenter 15 vermag in der zylindrischen Bohrung 16 eines Druckblocks 17 umzulaufen, der in der Stirnansicht im wesentlichen die Form eines
Fünfecks hat. Der Mittelpunkt des Druckblocks 17 liegt auf der Exzentrizitätsaohse des Exzenters 15. An seiner Außenfläche ist der Exzenter 15 der Motorwelle 11 mit zwei sich

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gegenüberliegenden kreist>ogenförmigen Nuten 18 und 19 versehen, die an ihren Enden durch Stege 20 und 21 voneinander getrennt sind, wodurch auf die unten beschriebene Weise eine Steuerspiegeleinrichtung geschaffen wird.

Der Druckblock 17 ist mit geringem Spiel drehfähig an den Exzenter 15 angepaßt und mit einer ungeraden Anzahl von radial verlaufenden Zylindern 22 versehen» Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 1 und 2 sind fünf Zylinder vorgesehen. Jeder Zylinder ist am äußeren Ende geöffnet und enthält eine Radialöffnung 25, die das Innere des Zylinders 22 mit der zylindrischen Bohrung 16 verbindet. Die Radialöffnungen 23 werden während~der Drehung des Exzenters und der Motorwelle durch die oben erwähnten kreisbogenförmigen Nuten 18 und 19 und die Stege 20 uxu ~i des Exzenters 15 überdeckt und freigegeben.

In jedem Hydraulikzylinder 22 sitzt gleitfähig ein Hohlkolben 30, der sich mit seiner äußeren Stirnfläche 31 normalerweise in dichtender Anlage an der Innenfläche des Gehäuses 14 befindet. Das Gehäuse 14 ist an der Innenfläche seiner Seitenwand 14 a.mit ebenen Anschlagflächen 32 versehen, die den entsprechenden Zylindern 22 gegenüberliegen,, Die äußere Stirnfläche 31 des Kolbens 30 befindet sich in dichtender Anlage an der ebenen Anschlagfläche 32 der

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Innenwand des Seitenteils 14a. Der Kolben 30 wird ständig gegen die Innenwand des Gehäuses 14 durch eine Schraubenfeder 33 gedrückt, die zwischen den Kolben 30 und eine innere An. sohl ag schult er 34 des Zylinders 22 eingesetzt ist. Ein Federhalter 35 ist am unteren Ende des Zylinders 22 auf der Schulter 34 angeordnet.

An einem aus elastischem Material bestehenden Ring 36 befindet sich der Kolben 30 in gleitender Berührung mit der Innenwand des Zylinders 22. Die' Eingriffslänge zwischen dem Außenumfang des Kolbens 30 und der Innenwand des Zylinders 22 kann, verglichen mit dem Durchmesser des Kolbens 30, auf einen sehr kleinen Betrag verringert sein. Beispielsweise kann- die Berührungslänge in Axialrichtung des Kolbens 30 am Ring 36 weniger als 1/10 des Innendurchmessers des Zylinders 22 betragen. Der Ring 36 dient ferner dazu, eine Flüssigkeitsleckage zwischen dem Kolben 30 und dem Zylinder 22 zu unterbinden.

Um den Kolben 30 in vollkommenem Druckausgleich zu halten, ist eine hydrostatische Drucklagerung vorgesehen. Die hydrostatische Drucklagerung enthält eine mittige Ausnehmung 41, die in der äußeren Stirnfläche 31 des Kolbens 30 ausgebildet ist, und einen Strömungsmitteldurchlaß 42, der im Kolben 30 ausgebildet ist und die Ausnehmung 41 mit dem Inneren des

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Zylinders verbindet. Der Stromungsmitteldurchlaß 42 verläuft vorzugsweise längs der Achse des Kolbens 30. Es sei darauf hingewiesen, daß die mittige Ausnehmung 41 stets konzentrisch zur Achse des Zylinders 22 liegt.

Eine Drehung des Druckblocks 17 ist lediglich in einem begrenzten Bereich möglich, der durch die seitlich verlaufenden Stifte 50, die am Gehäuse 14 befestigt sind, bestimmt wird. Ausnehmungen 51 in der Außenfläche des Druckblocks 17 wirken mit den entsprechenden Stiften 50 zusammen. Eine Bewegung des Druckblocks 17 in Richtung der Achse der Welle 11 wird durch Scheiben 52 verhindert, die zwischen den Enden des Druckblocks 17 und dem Lager 12 bzw. 13 sitzen.

Das Seitenteil 14a des Gehäuses 14 kann aus fünf getrennten Bauteilen 14aa von sichelförmigem Querschnitt, welche mit den ebenen Anschlagflächen 32 versehen sind, sowie fünf Abstandstücken 14ab bestehen, die jeweils zwischen zwei benachbarten sichelförmigen Bauteilen 14aa angeordnet sind. Die sichelförmigen Bauteile 14aa sind durch radiale Schrauben 55 an den vorderen und hinteren Deckeln 14b und 14c befestigt, und die Abstandstücke 14ab sind durch seitliche Schrauben 56 an den vorderen und hinteren Deckeln 14b und 14c angebracht, so daß sich ein geschlossenes Gehäuse 14 ergibt.

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Der vordere Stirndeckel 14b ist ferner durch einen Ölverschluß 61 mit einer Öldichtung 62 abgedeckt.

Zwei Kanäle 63 und 64 verlaufen längs der Motorwelle 11 parallel zur Wellenachse und stehen jeweils am einen Ende mit einer der kreisbogenförmigen Nuten 18 und 19 im Exzenter 15 und am anderen Ende mit einem von zwei Ringräumen 65 und f 66 in Verbindung, die nebeneinander in der Motorwelle 11 ausgebildet sind. Eine Verteilerbuchse 67 umschließt diesen Endabschnitt der Motorwelle. Die Buchse 67 ist mit zwei Radialöffnungen 68 und 69 versehen, die mit den Ringräumen 65 bzw. 66 in Verbindung stehen. Um eine Flüssigkeitsleckage zwischen der Verteilerbuchse und der Welle 11 zu unterbinden, sind Dichtungsringe 70,71 und 72 vorgesehen«,

Die Welle 11 enthält ferner einen Entlastungskanal 73, der das Innere des Gehäuses 14 über eine Öffnung 74 mit dem außerhalb des Gehäuses befindlichen Flüssigkeitstank verbindet, so daß jegliche Flüssigkeitsleckage im Gehäuse auf diesem Weg abgeführt werden kann.

Unter der Annahme, daß die Öffnung 68 den Einlaß bildet, gelangt das einströmende Öl längs des Kanals 63 zur kreisbogenförmigen Nut 18. Dann strömt das Öl über die Öffnung

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in die Zylinder A und B, die sich in einer Lage befinden, in der sie mit der kreisbogenförmigen Nut 18 in Verbindung stehen (Pig.2). Andererseits gelangt das Öl in den Zylindern D und E, welche mit der kreisbogenförmigen Nut 19 in Verbindung stehen, über die Öffnungen 23 der Zylinder D und E, die kreisbogenförmige Nut 19 und den Kanal 64 zum Auslaß Das Volumen jedes der Zylinder A und B vergrößert sich, während sich das Volumen jedes der Zylinder D und E verkleinert, mit der Folge, daß die Welle 11 in Richtung des Pfeiles X gemäß Fig.2 in Drehung versetzt wird. In der in Fig.2 gezeigten Betriebslage befindet sich der Zylinder C, der durch den Steg 20 des Exzenters 15 verschlossen ist, im abgeschalteten Betriebszustand.

Da die erfindungsgemäße Einrichtung symmetrisch aufgebaut ist, ergibt sich ohne weiteres, daß die Abtriebswelle 11 im entgegengesetzten Drehsinne angetrieben wird, falls die Arbeitsmittel^in- und -auslasse umgekehrt werden,,

Es ist von großer Bedeutung, daß keine Bauteile vorhanden sind, die unter aaCiflLrkung einer dem Arbeitsmitteldruok proportionalen Kraft mit gegenseitiger Druckbeaufschlagung aufeinandergleiten, wie dies nachfolgend im einzelnen erläutert wird.

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Da die herkömmlichen Hydraulikmotoren in den meisten Fällen ein Moment oder einen seitlichen Druck auszuhalten haben, der proportional dem Strömungsmitteldruck zwischen dem Kolben und der Innenwand des Zylinders ist, ergaben sich aufgrund der großen Reibungskräfte beim Betrieb im Hochdruckbereich, insbesondere beim Anfahren, eine Reihe von Schwierigkeiten.

Figur 3 veranschaulicht das Kräftegleichgewicht, das durch den an einem Kolben 30 angreifenden Hydraulikdruck erzielt wird. Falls die Kraft der Feder vernachlässigt wird und der Kolbendurchmesser Dp ist, ergibt sich die Kraft Fp, die den Kolben nach oben zu drücken sucht, mit

Fp = -f- Dp²P

wobei P der Hydraulikdruck im Zylinder ist.

Andererseits ergibt sich für die Kraft Fp¹, die den Kolben 30 aufgrund des in der Druckausnehmung 41 in der oberen Stirnfläche 31 des Kolbens vorhandenen Hydraulikdrucks nach unten zu verschieben sucht, mit Dp¹ als wirksamem Durchmesser der kreisförmigen Ausnehmung 41,

' Pp ι S= J},-. Dp'² P

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Bei geeigneter Wahl von Dp¹ ist es somit möglich, Fp der Größe Pp¹ nahezu gleichzumachen. In der Praxis wird Dp' so gewählt, daß Pp¹ etwas kleiner als Pp ist.

Gemäß Pig.3 ist konzentrisch zur kreisförmigen Ausnehmung 41 in der oberen Stirnfläche des Kolbens 30 eine Ringnut vorgesehen. Die Anordnung einer solchen Ringnut ist bei herkömmlichen hydrostatischen Drucklagern an sich bekannt ·

Die oben beschriebene, im wesentlichen vollkommene Ausbalancierung des Kolbens in Axialrichtung läßt sich lediglich durch Anordnung einer mittigen Ausnehmung in der Stirnfläche des Kolbens erzielen. Fall die Stirnfläche des Kolbens nämlich eben ausgebildet.und in der zugeordneten Fläche der Innenwand des Gehäuses eine Drucktasche für ein hydrostatisches Drucklager ausgebildet ist, läßt sich eine derart vollkommene 'druckausgeglichene Lagerung, wie sie oben beschrieben wurde, nicht erreichen, da die Drucktasche während einer relativen Gleitbewegung zwischen der Stirnfläche des Kolbens und der zugehörigen fläche der Gehäuseinnenwand nicht ständig mittig zur Achse des Kolbens und des Zylinders ausgerichtet ist,

Falls die Ausgangsleistung vom Gehäuse abgenommen und die Welle 11 stationär gehalten wird, ergibt sich infolge der

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Masse des Kolbens eine nach oben gerichtete Zentrifugalkraft, jedoch ist diese Kraft ebenso wie die Federkraft im Vergleich mit der durch den Hydraulikdruck aufgebrachten Kraft vernachlässigbar klein.

Um eine vollkommene Berührung der Stirnfläche des Kolbens mit der zugeordneten Gehäusefläche selbst bei Bearbeitungsfehlem sicherzustellen, ist es von großem Vorteil, daß die Berührungslänge 1 des Kolbens mit dem Zylinder im Vergleich zum Durchmesser gering ist, wie dies aus den Zeichnungen ersichtlich ist.

Nunmehr wird der Ausgleich der durch den am Druckblock 17 angreifenden Flüssigkeitsdruck verursachten Kräfte beschrieben. Gemäß Fig.4(a) wirkt ein Flüssigkeitsdruck auf die beiden Zylinder A und B, während gemäß Fig.4(b) auch der Zylinder G neben den Zylindern A und B mit Flüssigkeitsdruck beaufschlagt ist. Falls, wie bei diesem Ausführungsbeispiel, fünf Zylinder vorhanden sind, treten somit zwei unterschiedliche Betriebszustände auf, in deren einem zwei Zylinder mit Hochdruck beaufschlagt sind und in deren anderem drei Zylinder mit Hochdruck beaufschlagt sind, wobei sich diese Betriebszustände wechselweise einstellen.

Der Hydraulikdruck, der den Druckblock in dem in Fig.4(a) gezeigten Betriebszustand von außen zur Mitte hindrückt,

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ist durch die beiden Vektoren F. und F-g dargestellt. Diese beiden Vektoren haben die gleiche Größe, nämlich

2 IT

Der Winkel zwischen ihnen ist —?-. Daher befindet sich der aus den Vektoren F.. und F-g zusammengesetzte Vektor IYg auf der Winkelhalbierenden zwischen F^ und F-g , wie dies gezeigt ist. Die G-röße dieses Vektors ist

= 2

Wie gezeigt, soll P^, der Flüssigkeitsdruck sein, der den Druckblock nach außen von der Innenfläche der mittleren Druckblockbohrung fortzudrücken sucht, welche die Dreh-Gleitfläche bildet, die in Anlage mit dem Exzenter der Abtriebswelle steht.

Wenn der Hydraulikdruck im Bereich eines Kreisbogens LM (auf der kleineren Seite) angreift und die Breite des Druckbereichs senkrecht zur Zeichenebene b ist, ist in Übereinstimmung mit den Figuren die Größe des Vektors

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wobei a die Länge der Sehne LM ist. Außerdem fällt die Richtung des Vektors IYd¹ mit der Mittelsenkrechten der " Sehne LM zusammen. Da L und M Punkte an den Stegen im Grenzbereich zwischen den Zylindern E und A bzw. den Zylindern B und G sind, verläuft, falls die Stegbreite g klein genug ist, die Linie LM im rechten Winkel zur Richtung des sich aus F. und F₁₅ ergebenden Vektors F.^ ,wie dies aus Fig.4(a) ersichtlich ist. Daher ist F.-ni , das auf der Mittelsenk-

^w rechten der Linie LM liegt, entgegengesetzt zu F^g gerichtet.

Falls ferner die Breite b des Druckbereichs so gewählt wird, daß b = ~ψ- cos (—'-k—) Dp /a ist, ist

Somit ist es möglich, einen vollkommenen hydraulischen statischen Druckausgleich zu erzielen»

Falls der Wert von b auf diese Weise gewählt wird, läßt sich ein hydrostatischer Druckausgleich auch für den Fall aufrechterhalten, bei dem der Hydraulikdruck an drei Zylindern anliegt, wie dies in Fig.4(b) gezeigt ist. In diesem Fall ist die Hydraulikkraft, die den Druckblock von außen zur Mitte hin zu drücken sucht, durch die drei Vektoren F_A, F₃ und F_Q dargestellt, und die Richtung des

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resultierenden Vektors SYg₀ dieser drei Vektoren ist gleich der Richtung des Vektors F-g , wie dies aus der Figur ersichtlich ist. Andererseits wird die Hydraulikkraft, die den Druckblock nach außen von den Innenflächen der zylindrischen Bohrung zurückzudrücken sucht, durch den Hydraulikdruck verursacht, der im Bereich des großen Kreisbogens Ll* angreift, und diese Kraft, die durch einen Vektor 5Vg₀1 dargestellt wird, liegt auf der Mittelsenkrechten der Sehne LN. Da L und N Punkte auf den Stegen am Übergang zwischen den Zylindern E und A bzw. den Zylindern G und D sind, verläuft die Linie LN, falls die Breite der Stege klein genug ist, im rechten Winkel zu dem aus F. , F-n und F_ß resultierenden Vektor F^™ , wie dies aus Fig.4(1») ersichtlich ist. Daher ist F^rqi entgegengesetzt zu Fa₂₀ gerichtet.

Wenn, wie gezeigt, die Kräfte F_D und F_E vorhanden sind und ihr resultierender Vektor F_DE ist, wird der resultierende Vektor von F_DE und Fa₂₀ gleich dem resultierenden Vektor sämtlicher Vektoren F.» F-g, F_Q, Fjj und F_E· Diese Vektoren sind natürlich gegenseitig auf Null ausgeglichen, so daß ]\ABO im Betrag gleich Fjj_E ist (jedoch entgegengesetzt gerichtet ist). Da außerdem F.p_E im Betrag gleich F^g ist, ist

^FABC - ^FDE

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Wie sich andererseits aus den Figuren 4(a) und 4(b) ergibt, ist

ΪΝ = IM = a und

ABC

, = EITbP = a Td P

Daher ist

~ ^FABC

so daß ein vollkommener Kraftausgleich aufrechterhalten wird.

Bei dem in Figur 4 gezeigten Au s führung s"b ei spiel wurden zwar fünf Zylinder beschrieben, wenn jedoch im allgemeinen Fall 2n + 1 Zylinder vorhanden sind, sind zwei wechselweise aufeinanderfolgende Betriebsfälle zu unterscheiden; im ersten Fall sind η Zylinder mit Hochdruck beaufschlagt und im zweiten Fall sind n+1 Zylinder dem Hochdruck ausgesetzt. Es ist möglich, den hydraulischen Kräfteausgleich gleichzeitig für beide Fälle aufrechtzuerhalten. Dies erfolgt auf die gleiche Weise wie bei dem Ausführungsbeispiel, das fünf Zylinder enthält.

Figur 5 zeigt das Prinzip der Drehmomentenerζeugung mittels der Abtriebswelle und entspricht der Fig.4(a). Da der

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Vektor IVg, der die infolge des am Außenumfang des Exzenters der Antriebswelle anliegenden Hydraulikdrucks erzeugte Kraft darstellt, "bezüglich des Drehpunktes 0 der Welle 11 einen Hebelarm e¹ hat, ergibt sich das Abtriebsmoment mit F .^ χ e¹. In diesem Fall wird die Radialbelastung über die zwei Lager 12,13 abgeführt (Fig.1).

Figur 6 dient zur Erklärung des Gegenmoments, das am Gehäuse des Hydraulikmotors angreift, wobei der Druckzustand der gleiche wie gemäß Fig.4(a) ist_o

Da die Vektoren F. und F-g, die die durch die Hydraulikdrücke hervorgerufenen Kräfte darstellen, durch die Mitte O¹ des Exzenters verlaufen, sind sie bezüglich der Mitte 0 des Gehäuses (der Mitte der Abtriebswelle) um den Betrag e exzentrisch. Bezüglich der Mitte 0 haben die Vektoren F^ und F-p somit Drehmomentenarme e, bzw. e_fl, und somit ist das am Gehäuse angreifende Gegenmoment gleich

¹A ^{X e}A ^{+ 1}B ^{X e}B

Da die Aktions- und Reaktionskräfte gleich groß sind, ist die Größe dieses Moments gleich dem Abtriebsmoment F.^ χ e^! der Welle.

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Palls das Spiel zwischen dem Außenumfang des Exzenters und · der im Druckblock ausgebildeten Zylinderborhung nicht vernachlässigbar klein ist, ergeben sich hinsichtlich der Druckflüssigkeitsleckage auf der Niederdruckseite der Zylinderbohrung, in der der Exzenter einsitzt, Schwierigkeiten. Insbesondere falls auf der Niederdruckseite des Motors noch eine merkliche Druckhöhe vorhanden ist, beispielsweise für den Pail, daß die Niederdruckseite des Motors im Falle einer Reihenschaltung mit der Hochdruckseite eines zweiten Motors verbunden ist, macht die Druckflüssigkeitsleckage beträchtliche Schwierigkeiten. Palis andererseits dem Motor über den Einlaßkanal in der Motorwelle plötzlich eine erhitzte Flüssigkeit zugeführt wird, kann die Drehung der Welle infolge des sogenannten "thermischen Schocks" unterbrochen werden, was auf eine Differenz des thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwisehen dem Exzenter der Welle und dem Druckblock zurückzuführen ist.

Die oben beschriebenen Schwierigkeiten lassen sich durch Verwendung eines Ironisch ausgebildeten Exzenters vermeiden. Figur 8 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, das für diesen Zweck geeignet ist. In Fig.8 sind die den Fign. 1 und 2 entsprechenden Bauteile mit dem gleichen Bezugszeichen versehen. Beim Ausfürhungsbeispiel gemäß Figo8 ist der Exzenter 15 der Welle 11 als Konus ausgebildet,

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der eine leicht geneigte Erzeugende hat. Der Druckblock 17 enthält eine konische Bohrung 16, die mit dem konischen Exzenter 15 zwecks Relativdrehung zusammenwirkt. Die ebene Ans chiagflache auf der Innenwand des Gehäuses verläuft in einer Ebene, die parallel zu der Erzeugenden des konischen Exzenters 15 liegt. Infolgedessen liegt die gemeinsame Achse des Kolbens 30 und des Zylinders 22 senkrecht zur Erzeugenden des konischen Exzenters 15. Vorzugsweise wird der Druckblock durch eine nicht gezeigte Feder in Richtung des größeren Durchmessers des konischen Exzenters beaufschlagt, so daß der konische Druckblock mit dem geringstmöglichen Spiel an dem Exzenter anliegt. Druckkräfte können durch Anordnung eines Drucklagers 81 und/oder einer .Flüssigkeitsdruckkammer 82 ausgeglichen werden, welche um einen Lagerabschnitt 83 der Welle 11 ausgebildet ist.

Durch diese Maßnahme läßt sich die Anpassung zwischen dem Exzenter und dem Druckblock verbessern, wodurch wiederum die maschinelle Bearbeitung des Exzenters und der Innenfläche des Druckblocks erleichtert wird.

Die Erfindung läßt sich auch auf doppelt-, dreifach- etc. wirkende Hydraulikmotoren oder -pumpen anwenden, wobei sich die Vorteile noch deutlicher zeigen. Es lassen sich also zwei, drei oder mehr Exzenter auf einer einzigen Abtriebs-

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welle ausbilden, wobei entsprechend viele Druckblöcke damit in Eingriff stehen. In diesem Fall lassen sich mehrere Druckblöcke aus einem Stück ausbilden. Bei einer derartigen Ausbildung werden die Bearbeitungskosten verringert und dennoch wird- ein Motor geschaffen, der ein hohes Antriebsmoment erzeugt und mit Vorteil auch als langsamlaufende. Pumpe verwendet werden kann.

Der erfindungsgemäße Hydraulikmotor arbeitet derart, daß, wie Figur 7 zeigt, eine mittlere Welle S und ein die Welle umschließendes Gehäuse C aufeinander mittels radial verlaufender Hochdruck-Flüssigkeitssäulen (im gezeigten Fall zwei Flüssigkeitssäulen L^ und Lp) Drehmomente nach dem Prinzip von actio et reactio ausüben.

Infolgedessen bilden die radial gruppierten Kolben P. bis Pi- nichts weiter als zylindrische Dichtglieder, die den Hauptzweck haben, die Druckflüssigkeitssäulen aufrechtzuerhalten. Wie bereits oben im einzelnen erläutert wurde, sind somit nicht nur die Kolben, sondern auch der Druckblock statisch vollkommen ausgeglichen und nicht an der Kraftübertragung mittels eines mechanischen Kontakts beteiligt. Die mittlere Welle S ist in Richtung des ausgezogenen Pfeils gemäß Fig.7 mit einem Drehmoment beaufschlagt und liefert in dieser Richtung ein Abtriebsmoment, während

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das Gehäuse C einem Drehmoment in" Richtung des· gebrochen dargestellten Pfeiles ausgesetzt ist," so,daß das Gehäuse "bei stationärer Halterung der mittleren Welle ein Ab trieb smoment liefert, das das Gehäuse in dieser Richtung zu drehen sucht.

Da für die Kraftübertragung bei der · erfindungsgemäßen Einrichtung keine mechanische Berührung verwendet wird, lassen sich eine Reihe von Schwierigkeiten beheben, einschließlich des Verschleißes und der Reibung der Hauptbauteile und insbesondere des Drehmomentenverlustes beim Anfahren und eines ruckhaften Festklemmens bei niedrigen Drehzahlen, und es läßt sich ein hoher Wirkungsgrad und eine große Lebensdauer des Hydraulikmotors oder der Pumpe erzielen.

Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen sind zwar fünf Zylinder vorhanden, jedoch ist die Zylinderzahl nicht auf fünf beschränkt. Als Einrichtung zum Verhindern der Drehung"des Druckblocks wurden zwar-fünf Stifte und fünf damit zusammenwirkende Ausnehmungen beschrieben, jedoch ist es natürlich möglich, eine solche Drehbewegung durch andere bekannte Einrichtungen zu unterbinden. Falls außerdem der Spielsitz zwischen den Kolben und dem Zylinderblock bis zu einem gewissen Grad verringert wird, kann auf eine derartige Einrichtung, die eine Rotation verhindert,

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verzichtet werden. Bei den gezeigten Ausführungsbeispielen steht ferner das Gehäuse fest, während sich die Welle dreht, jedoch kann auch eine kinematische Umkehrung vorgenommen.. werden, indem die Welle stationär gehaltert wird und. das Gehäuse umläuft und das Abtriebsmoment erzeugt, wobei in diesem Pail auf die Verteilerbuchse verzichtet werden kann, da sich die Arbeitsflüssigkeit unmittelbar in die mittlere_t Welle einführen läßt.

Falls die in den Figuren 1 und 2 gezeigte Einrichtung als Motor verwendet wird, kann auf -die Feder 33 verzichtet werden, da während des Anfahrens infolge der Druckdifferenz zwischen dem Inneren des Zylinders und der Druckausnehmung 41 eine Kraft erzeugt wird, die den Kolben 30 gegen die Gehäuseseitenwand 14a drückt. In diesem Fall muß die Ausnehmung 41 über einen Drosseldurchlaß 42 mit dem Inneren des Zylinders 22 verbunden werden.

Bei dem in den Figuren 1 und 2 gezeigten Hydraulikmotor läßt sich ferner ein Freilauf einstellen. Zu diesem Zweck v/ird die Feder 33 in den Zylindern fortgelassen und eine Druckflüssigkeit über den Entlastungskanal 73 in das Gehäuse 14 eingeführt, wobei an beiden Offnungen 68 und 69 Niederdruck (ein Flüssigkeitstank) anliegt. Selbst wenn an der Welle 11 ein äußeres Moment angreift, übt der Motor in

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diesem Falle ein äußerst kleines Bremsmoment aus. Während eines solchen Freilauf-ßetriebs sind sämtliche Kolben von der inneren Gehäusewand abgehoben und in Richtung ihrer vollständig eingeschobenen Endlage, in den Zylindern gedrückt.

Wie weiter oben im einzelnen erläutert wurde, wird bei der erfindungsgemäßen Hydraulikmaschine an den wenigen einfachen Bauteilen beinahe keinerlei Verschleiß und Reibung verursacht, und somit werden eine hohe Lebensdauer und eine kostengünstige Bauweise neben weiteren technischen Vorteilen erhalten.

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Claims

-30 "Patentanwälte Dr. Ing. H. Nbgsndank Dipl. Ing. H. Hcmck Dipl. Phys. VV. Schmitz β München iS, ^ozarMr.23 Tel. 5 33 05 60 Shimadzu Seisakusho , Ltd. Ichinofunairi-cho ,Nijyo-Sagaru, Kawaramachidori-Nakagyo-ku, -30. Dezember 1971 Kyoto , Japan .Anwaltsakte M 1883 Patentansprüche

1.) Hydraulikmotor oder -pumpe mit einem Gehäuse, einer Welle, einer Lagerung zur drehbaren Abstützung der Welle am Gehäuse, einem an der Welle vorgesehenen Exzenter, einem im Gehäuse und um den Exzenter angeordneten Druckblock, der eine Bohrung für eine Relativdrehung zwischen Druckblock und Exzenter aufweist, mehreren im Druckblock ausgebildeten, radial um den Exzenter gruppierten Hydraulikzylindern, die in einer gemeinsamen, senkrecht zur Wellenachse verlaufenden . Ebene liegen, jeweils in den Zylindern verschiebbar angeordneten, mit äußeren Stirnflächen versehenen Kolben, ebenen Anlageflächen auf der Gehäuseinnenfläche zum Zusammenwirken mit den entsprechenden äußeren Stirnflächen der Kolben, Druckeinrichtungen, die die Kolben während des Betriebs des

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Motors oder der Pumpe an die Anlageflächen des Gehäuses andrücken, und öffnungen im Druckblock zur Verbindung der Bohrung des Druckblocks .-mit dem Inneren der Zylinder, wobei die Zylinder während des Betriebs des Motors oder der Pumpe nacheinander mit Druckflüssigkeit beaufschlagt sind,.dadurch gekennzeichnet, daß zur Gleichgewichtslagerung der Kolben (30) eine hydrostatische Drucklagerung (41,4-2) mit einer in der äußeren Kolbenstirnfläche (51) fluchtend zur Kolbenachse ausgebildeten mittigen Ausnehmung (41) und einem im Kolben (30) angeordneten, die Ausnehmung (41) mit dem Inneren des Zylinders (22) verbindenden Strömungsmitteldurchiaß ,(42) vorgesehen

2, Hydraulikmotor oder -pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die .Größe der^Druckangriffsfläche der in der äußeren Kolbenstirnfläche, (3J) ausgebildeten Ausnehmung (41) für _t eine druckausgeglichene Halterung •_;,des Kolbens (30). .in.Ric'htung der Kolbenachse ausreichend ist=.- -.--,.--■ --.-.-" · -■.-.-"-,.,.-

3» Hydraulikmot-or oder -pumpe, nach Anspruch 1 oder 2, . ■ dadurch gekennzeichnet, .daß der Kolben (30) lediglich .über einen begrenzten Teil seiner Länge mit der Innenwand des Zylinders (22) zusammenwirkt..

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4. Hydraulikmotor oder -pumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Zylinderinnenwand zusammenwirkende begrenzte Teil der Kolbenlänge weniger als 1/10 des Korbendurchmessers "beträgt.

5. Hydraulikmotor oder -pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (14) mit einem Entlastungskanal (73) versehen ist, durch den Leckmittel vom Gehäuseinneren zu einem außerhalb des Gehäuses befindlichen Vorratsbehälter abführbar und wahlweise dem Gehäuseinneren zwecks eines Leerlaufbetriebs des Motors oder der Pumpe auch Druckflüssigkeit zuführbar ist,

6. Hydraulikmotor oder -pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Exzenter (15) an seiner Außenfläche konisch ausgebildet und der Druckblock (17) mit einer mittigen konischen Bohrung (16) versehen ist, die mit der konischen Außenfläche des Exzenters (15) zusammenwirkt und relativ zu dieser drehbar ist, und daß die Anlageflächen (32) des Gehäuses (14) in Ebenen verlaufen, die parallel zur Erzeugenden der konischen Außenfläche des Exzenters (15) liegen (Fig_e8).

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