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Vorrichtung mit axialer Kolbenanordnung und schräggestelltem Zylinderblock
Die Erfindung betrifft Pumpen oder Motoren mit axialer Kolbenanordnung und einem
schräggestellten Zylinderblock, sie betrifft insbesondere die Ausgestaltung der
Kolben, die eine Antriebswelle mit einem Zylinderblock verbinden und von der Antriebswelle
auf den Zylinderblock oder in umgekehrter Richtung ein Drehmoment in Pumpen oder
Motoren mit axialer Kolbenanordnung der genannten Bauart übertragen.
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Axiale Pumpen oder Motoren mit einem schrägstehenden Zylinderblock
enthalten im allgemeinen eine drehbar in Lagern in einem Gehäuse gelagerte Antriebswelle
und einen Zylinderblock, der mehrere axiale Kolbenzylinder in geeigneten Intervallen
um die longitudinale Achse des Zylinderblocks (im folgenden auch als Zylindertrommel
bezeichnet) besitzt, wobei die longitudinale Achse gegenüber der Achse der Antriebswelle
um einen bestimmten Winkel geneigt ist. Es ist bekannt, um beim Ubertragen eines
Drehmomentes von der Antriebswelle auf die Zylindertrommel bzw. in umgekehrter Richtung
eine synchrone Drehbewegung aufrecht zu erhalten, zwischen
der Zylindertrommel
und der Antriebswelle bei Pumpen oder Motoren mit axialen Kolben vom variablen Verschiebungstyp
(variable displacement type) Universalgelenke einzusetzen, bei Pumpen oder Motoren
mit axialer Kolbenanordnung und vom festen Verschiebungstyp (fixed displacement
type), Kolben mit einer Kolbenstange zu verwenden, die mit Spiel in einer axialen
Bohrung des Kolbens geführt ist und bei der Drehung der Zylindertrommel verschiedene
Winkelpositionen einnimmt.
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Andererseits besitzen die Pumpen oder Motoren mit axialer Kolbenanordnung
und vom festen Verschiebungstyp im allgemeinen eine Kopplung zwischen Antriebswelle
und Zylindertrommel, die durch zwei Kegelräder bewirkt wird und eine synchrone Drehbewegung
sicherstellt. Der Pumpvorgang ist auf alle Fälle auch dann sichergestellt, wenn
die Kolbenstange einen bestimmten.Grad von axialer Abweichung relativ zur zylindrischen
Bohrung in der Zylindertrommel besitzt. Diese bekannten Pumpen oder Motoren mit
axialer Kolbenanordnung besitzen eine aufwendige und komplizierte Konstruktion und
erfordern bei ihrer Herstellung eine große Anzahl von Fabrikationsschritten, wie
noch näher erläutert wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Pumpe oder einen Motor mit axialer
Kolbenanordnung und einer schrägstehenden Zylindertrommel anzugeben, die die genannten
Nachteile derartiger Pumpen oder Motoren nicht besitzt. Es soll dabei eine Kolbenstange
angegeben werden, die es gestattet, das Drehmoment von der Antriebswelle zur Zylindertrommel
oder in umgekehrter Richtung ohne zusätzliche Koppelelemente, wie z.B. Kegelräder
oder Universalgelenke, zu übertragen. Die erfindungsgemäße Ausführungsform soll
eine einfache Konstruktion besitzen und in vereinfachter Weise und mit geringen
Kosten herstellbar sein.
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Gemäß der Erfindung ist eine Pumpe oder ein Motor mit axialer Kolbenanordnung
und einem schrägstehenden Zylinderblock oder Zylindertrommel, der eine Antriebswelle
drehbar in Lagern in einem Gehäuse enthält, wobei die Zylindertrommel mehrere axiale
Zylinderbohrungen in geeignetem Abstand um -die Trommelachse und drehbar in einem
bestimmten Winkel relativ zur Achse der Antriebswelle gelagert ist, mit mehreren
Kolben, die jeweils in einer der Zylinderbohrungen gleitend und fluiddicht geführt
sind und einstückig in eine Kolbenstange übergehen, deren äußeres, vom Kolben abweisendes
Ende eine Kugelform besitzt und gleitbar in einer kugelförmigen Ausnehmung in dem
dem Kolben gegenüberliegenden inneren Ende der Antriebswelle, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kolbenstange mit einem ausgebauchten, verstärkten Bereich (Knotenteil) versehen
ist, der mit der Wand der Jeweiligen Zylinderbohrung in Berührung steht und ein
Drehmoment von der Antriebswelle auf die Zylindertrommel bzw. von der Zylindertrommel
auf die Antriebswelle zu übertragen.
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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der
Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer
konventionellen Axialkolben-Pumpe mit Kegelrädern; Fig. 2 eine Teilansicht einer
weiteren Axialkolbenpumpe bekannter Art; Fig. 3 eine schematische Schnittansicht
der Pumpe oder des Motors mit axialer Kolbenanordnung und schrägstehendem Zylinderblock
nach der Erfindung;
Fig. 4 eine schematische Ansicht eines Kolbens
in vergrößertem Maßstab, wie er in der erfindungsgemäßen Pumpe Verwendung findet;
und Fig. 5a bis 5d schematische Ansichten verschiedener Ausführungsformen des Knotenbereiches,
der an der Kolbenstange vorgesehen ist.
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Die Fig. 1 und 2 zeigen typische Ausführungsformen konventioneller
Axialkolben-Pumpen mit schrägstehendem Zylinderblock. Derartige Pumpen enthalten
bekanntlich eine Antriebswelle 4, die drehbar in Lagern 2 und 3 in einem Gehäuse
1 gelagert ist, sie enthalten mehrere axiale Zylinderbohrungen 7 in bestimmten Abständen,
um die Achse einer Zylindertrommel 6, die gegenüber der Achse der Antriebswelle
4 in einem bestimmten Winkel oder in Schräglage angeordnet ist. Ein Kolben 8 läuft
in jeder der Zylinderbohrungen 7 und führt dort gleitbar eine Hin- und Herbewegung
aus. In derartigen bekannten Axialkolbenpumpen mit schrägstehendem Zylinderblock
sind die Zylindertrommel 6 und die Antriebswelle 4 zur Herstellung einer synchronen
Drehbewegung miteinander durch Kegelräder B und B1 gekoppelt, die an sich gegenüberstehenden
Enden der Zylindertrommel 6 und der Antriebswelle 4 angebracht sind, vgl. insbesondere
Fig. 1. Zur Übertragung des Drehmoments von der Antriebswelle 4 auf die Zylindertrommel
6 ist es bekannt, die Kolbenstange getrennt von dem Kolben als solchen vorzusehen,
vgl. Fig. 2, die Kolbenstange ist dann durch eine axiale Bohrung durch den Kolben
geführt und schwenkbar am Kolbenkopf gelagert, wobei zwischen der Kolbenstange 17
und der Wand der axialen Innenbohrung 16 durch den Kolben 19 ein Spielraum gegeben
ist, der es gestattet, daß die Kolbenstange verschiedene Winkelpositionen relativ
zur Achse der Zylinderbohrung 18 annimmt. Wie schon ausgeführt,
sind
derartige bekannte Ausführungsformen konventioneller Pumpen unverhältnismäßig schwierig
in der Herstellung und verlangen eine relativ große Anzahl von Herstellungsschritten
und hohe Herstellungskosten.
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Die genannten Nachteile lassen sich vollständig durch die verbesserte
Pumpenkonstruktion gemäß der Erfindung vermeiden.
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Wie aus den Fig. 3 bis 5 ersichtlich, enthält die Axialkolben-Pumpe
mit schrägstehendem Zylinderblock gemäß der Erfindung ein im allgemeinen zylindrisches
Gehäuse 101, eine Antriebswelle 104, die mittels Lager 102 und 103 drehbar in dem
Gehäuse 101 gelagert ist, sie enthält eine Zylindertrommel 106, die in einem Gehäuse
105 um eine Achse 113 drehbar gelagert ist und mehrere axiale Zylinderbohrungen
107 besitzt und bezüglich der Antriebswelle 104 in einem bestimmten Winkel oder
in bestimmter Schräglage angeordnet ist. Ein Kolben 108 ist gleitbar in jede der
axialen Zylinderbohrungen 107 eingepaßt. Jeder einzelne der Kolben 108 enthält einen
Kolbenkopf 115 mit einem um den Kopf gelegten Kolbenring, der eine fluiddichte Verbindung
zwischen den Wänden der axialen Zylinderbohrung 107 und einer Kolbenstange herstellt,
die einstückig mit dem Kolben 108 ausgebildet ist und in eine Kugel 110 endet. Diese
Kugel 110 ist gleitbar in einer kugelförmigen Ausnehmung 111 an dem dieser Kugel
gegenüberliegenden inneren Ende der Antriebswelle 104 gelagert. Die Kolbenstange
108 besitzt einen ausgebauchten, verstärkten Bereich 112 (Knotenbereich in Gestalt
eines Kegelstumpfes an einer Stelle, die zwischen dem Inneren, in den Kolbenkopf
115 mundenden Ende und dem äußeren kugelförmigen Ende 110 liegt. Der ausgebauchte
Bereich 112 wird in gleitendem Kontakt mit der Wand der axialen Zylinderbohrung
114 geführt.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung der Kolben und der Kolbenstange
steht mindestens eine der Kolbenstangen 108 mit ihrem ausgebauchten Bereich 112
in Kontakt mit der Wand der entsprechenden Zylinderbohrung 114, wie insbesondere
in Fig. 4 gezeigt ist. Als Folge dieses Kontaktes wird ein Drehmoment von der Antriebswelle
104 auf die Zylindertrommel 106 übertragen, wodurch letztere synchron mit der Antriebswelle
rotiert und dabei die Kolben 108 weich in den jeweiligen Zylinderbohrungen 109 hin-
und herbewegt. Die Kante am Kopfende des Kolbens 115 mit dem um das Kopfende gepaßten
Kolbenring 109 ist abgerundet, so daß die rluiddichte Dichtung zwischen dem Kolbenring
109 und der Wand der Zylinderbohrung 107 selbst dann erhalten bleibt, wenn die Kolbenstange
108 gegenüber der Längsachse der Zylinderbohrung 107 schräg steht, ohne daß das
unter hohem Druck stehende Fluid durch die Dichtung dringt, da ein derartiges Leck
des Arbeitsfluids einen geringeren Wirkungsgrad der Pumpe zur Folge hätte. Um eine
überflüssige Abnutzung der Wände der Zylinderbohrungen 107 zu vermeiden, vgl. Fig.
5d, ist ein kegelstumpfförmiger Bereich 116 einstückig an das Ende des Kolbenkopfes
115 angefügt.
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In der in Fig. 5a dargestellten Ausführungsform besitzt die Kolbenstange
108 in ihrem mittleren Bereich eine Verdickung 112 mit kegelstumpfförmiger Gestalt.
Die Verdickung 112 besitzt bevorzugte eine größere Länge und bedeckt einen größeren
Bereich der Kolbenstange 108, wie aus Fig. 5a hervor geht. Allerdings erfordert
die Ausführungsform nach Fig. 5a eine hohe Fertigungspräzision und unzulässige Herstellungsfehler
resultieren in einer Wobbelbewegung der Verdickungsoberfläche, die die Wände der
Zylinderbohrungen 114 berührt. Es ist daher vorteilhaft, die Verdickung
nur
an bestimmten Stellen der Kolbenstange 108 vorzusehen.
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Die Verdickung 112 ist nach Fig. 5b bevorzugt trommel- oder korbförmig
ausgebildet, sie ist nach Fig. 5c bevorzugt kugelförmig ausgebildet. In einer weiteren
bevorzugten Ausführungsform der Kolbenstange 108 ist ein kegelstumpfförmiger Bereich
116 am Ende des Kolbenkopfes 115 vorgesehen, vgl. Fig. 5d, wobei dieser kegelstumpfförmige
Bereich 116 mit Reaktionskraft angebracht ist.
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Anhand der Figuren wurde die vorliegende Erfindung in Zusammenhang
mit einer Pumpe beschrieben, es läßt sich jedoch die gleiche Anordnung als Motor
verwenden, wenn das Drehmoment von der Zylindertrommel 106 auf die Antriebswelle
104 übertragen wird.
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Gemäß der Erfindung wird das Antriebsdrehmoment von der Antriebswelle
104 auf die Zylindertrommel 106 bzw. von der Zylindertrommel 106 auf die Antriebswelle
104-durch den verdickten Bereich 112 der Kolbenstange 108 übertragen, die sich in
Kontakt mit der Wand der Jeweiligen Zylinderbohrung 107 befindet. Die Zylindertrommel
und die Antriebswelle führen also eine synchrone Drehbewegung aus, ohne die bei
Axialkolben-Pumpen oder -motoren mit schrägliegendem Zylinderblock bekannter Art
üblichen Kegelrädern oder Universalgelenke zu verwenden. Aufgrund dieser stark vereinfachten
Ausführungsform kann bei der erfindungsgemäßen Pumpe die synchrone Drehbewegung
zwischen Antriebswelle und Zylindertrommel in äußerst sicherer Weise aufrechterhalten
werden.
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Außerdem wird durch diese vereinfachte Ausführungsform eine erhebliche
Reduktion der Produktionskosten der Pumpe oder Motoren erzielt.