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Anordnung zum Kühlen der Kolben bei einer Axialkolbenmaschine
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Kühlen der Kolben bei einer
Axialkolbenmaschine. Zweck der Anordnung ist das Vermeiden des Klemmens und Fressens
der Kolbens in Zylindern von Axialkolbenmaschinen infolge eines Wärmestaues in bestimmten
Bereichen. Solches Klemmen und daraus resultierendes Fressen hat häufig die Folge
einer totalen Zerstörung der Axialkolbenmaschine und tritt besonders bei hohen Drehzahlen
auf, bei denen hohe Reibgeschwindigkeiten am Kolbenumfang auftreten gleichzeitig
aber auch hohe Fliehkräfte wirken.
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Das gilt insbesondere, wenn gleichzeitig der Arbeitsdruck gering ist;
so daß vom Arbeitsraum her wenig Öl in den Spalt zwischen Kolben und Zylinder gedflkkt
wird. Eine besondere
Gefahr ist bei einstellbaren Kolbenmaschinen
bei Einstellung auf relativ geringen Hub gegeben. Bei Einstellung auf großen Hub
taucht der Kolben mit seinem triebwerkseitigen Teil im Bereich des äußeren Totpunktes
weit aus der Zylinderbohrung aus, so daß das aus der Zylinderbohrung ausgetretene
Teil von dem Öl im Gehäuse umspült wird. Hat der Zylinder nicht eine durchgehende
Lauffläche sondern eine Lauffläche, hinter der sich- der Zylinderraum etwas erweitert,
so tritt bei Einstellung auf großen Hub auch das kolbenstirnflächenseitige Ende
des Kolbens aus der Lauffläche im Zylinder aus, so daß es im Arbeitsraum von Öl
umspült wird. Bei Einstellung auf kleinen Hub wird aber ein relativ großer Teil
des Kolbens in der 1lauffläche hin und herbewegt, ohne auf der äußeren oder inneren
Seite aus der Lauffläche auszutreten. In diesem Bereich besteht die Gefahr eines
Wärmestaues.
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Die Gefahr eines solchen Wärmestaues entsteht also immer in bestimmten
Stellen im Zylinder.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Gefahr eines solchen
Wärmestaues mit den daraus resultierenden Gefahren des Fressens und Klemmens des
Kolbens zu vermeiden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung vorgesehen,
daß
in einem Bereich der Zylinderwand, der ständig den Kolben umfaßt, das heißt der
bei Jeder in diesem Betriebszustand möglichen Lage des Kolbens einem Teil der Kolbenaußenwand
gegenüberliegt und von diesem überfahren wird, eine Nut angeordnet ist, in der sich
das durch den Spalt zwischen Kolben und Zylinderwand fließende Öl sammelt, so daß
die Wärme durch dieses Öl aus diesem Bereich, in dem der Kolben immer über den Schmierfilm
mit der Zylinderwand in Kontakt bleibt, abgeführt fJird.
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Die Gefahr eines solchen gemäß der Erfindung zu vermeidenden Wärmestaues
ist um so größer, je länger die Lauffläche in der Zylinderinnenwand ist, über die
der Kolben gleitet.
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Die Ausgestaltung gemäß der Erfindung ermöglicht, Axialkolbenmaschinen,
die mit solcher Nut angrsehen sind, mit höherer Drehzahl zu betreiben als Axialkolbenmaschinen,
denen diese Nut fehlt. Darüber hinaus ergibt sich der weitere Vorteil, daß durch
Fortfall der Gefahr des Kolbenklemmens der Spalt zwischen Außendurchmesser des Kolbens
und Innendurchmessers der Zylinderlaufwand $verringert werden kann und damit die
Leckverluste verringert werden können. Die Nut ermöglicht nicht nur ein Ansammeln
von Öl, das die Wärme abfunrt, sondern verringert auch die Länge der Lauffläche,
längs der die Kolben-
außenwand in der Zylinderinnenbohrung reibt.
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Nuten in der Zylinderinnenwand sind ansich bekannt jedoch zu anderen
Zwecken beispielsweise durch die 3E-OS 1 804 529 (= US-FS 3 437 015) ist es bei
einer Schrägschelben-Axialkolbenmaschine ikannt, in einem Bereich der Zylinderwand,
der von einem kolbenstirnflächennahen Teil des Kolbens überstricnen wird, eine Ringnut
anzuordnen, die ständig über ein Ventil mit der Hochdruckleitung in Verbindung steht.
Diese an die Hohdruckleitung angeschlossene Nut hat die Aufgabe, Öl einer Bohrung
in der Kolbenaußenwand zuzuführen, deren Mündung bei Jedem Kolbenhub die Nut überstreicht
und die mit einem Druckpolsterraum im Gleitschuh der Schrägscheibenmaschine verbunden
ist. Hier dient die Nut also zur Zuführung von Druckmittel zum Druckpolsterraum
im Gleitschuh und ist in einem Bereich der Zylinderinnenwand angeordnet, die von
einem kolbenstirnflächennahen Teil des Kolbens überstrichen wird.
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Bei einer anderen bekannten Axialkolbenmaschine in Schräe;-scheibenbauform
sind wider Zylinderinnenwand Jeweils ein Teil des Umfanges umfassende taschenförmige
Druckpolster angeordnnet, die mit dem Druckraum vor der Stirnfläche des Kolbens
in Verbindung steten (GB-PS 992 230). Diese Druckpolster dienen in ähnlicher Weise
wie die Druckpolster im Gleitschuh zur Auf-
nahme der Seitenkräfte,
die zwischen Kolben und Zylinder wirken. Weiterhin ist eine Schrägscheiben-Axialkolbenmaschine
für die Flughydraulik bekannt, bei der im mittleren Bereich der Zylinderlaufbahn
zwei schmale Ringnuten angeordnet sind, die nach Art von Labyrinthdichtungen einen
unzulässig hohen Abf luß von Arbeitsmedium durch den Spalt verhindern sollen.
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Da nicht einstellbare Axialkolbenmaschinen (Konstantmaschinen) ständig
mit großem Hub arbeiten, ist der Bereich des Kolbens, der nie auf der zylinderinneren
oder äußeren Seite aus der Lauffläche austritt, klein und damit die Gefahr der Überhitzung
klein. Besonders groß ist die Gefahr bei Axialkolbenmaschinen, die einstellbar sind,
bei Betrieb mit hoher Drehzahl bei kleinem Schwenkwinkel, weil dann ein großer Teil
des Kolbens ständig innerhalb der Zylinderlauffläche verbleibt. Besonders zweckmäßig
ist deshalb die Anwendung ci der Erfindung bei Axialkolbenmaschinen, die einstellbar
sind, wobei die Nut « in einem Bereich der Zylinderwand angeordnet ist, in den zumindest
bei Einstellung auf kleines Hubvolumen der Kolben ständig eintaucht. Die zweckmäßige
Lage der gemß der Erfindung vorgesehenen Nut richtet sich in einer für deni Fachmann
erkennbaren Weise nach der Geometrie der Axialkolbenmaschine, das heißt insbesondere
dem Verhältnis von Kolbenhub und Zylinderlaufflächenlänge und der relativen Lage
des Kolbenmantelweges
zur Zylinderlauffläche. Dabei müssen ggfs.
Nuten in der Kolbenwand, insbesondere große Nute, die entstehen, um durch plastisches
Verformen den Kolben hinter die Pleuelstangenkugel greifen zu lassen, berücksichtigt
werde; wobei Jedoch solche Nuten bei großem Hub die gemäB der Erfindung vorgesehene
Nut überfahren dürfen. Es ist denkbar,die die Nut durch eine zusätzliche Bohrung
mit der Außenwand der Zylindertrommel zu verbinden, um durch diese Bohrung einen
Ölaustausch zu ermöglichen. Insbesondere wäre beispielsweise denkbar, zwei solche
Bohrungen vorzusehen, die jeweils tangential in die Nut münden, seitlich nebeneinander
versetzt, so daß die eine in der Nähe der unteren Kante und eine in der Ngne der
oberen Kante der Nut endet, wobei beide in entgegengesetzter Richtung zum Umfang
der Zylindertrommel geführt sind, so daß beim Umlauf der Zylindertrommel ein gewisser
Stau an einer der Mündungen entsteht und dadurch ein Durcnspülen der Nut erzielt
wird Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, daß durch jede Bohrung, die die gemäß
der Erfindung vorgesehene Nut mit dem Außenumfang der Zylindertrommel verbindet,
der Druckaufbau in der Nut vermieden wird. In erster Linie ist jedoch vorgesehen,
daß diese Nut keine Verbindung zur Außenseite des Zylinders hat, damit sich in dieser
Nut ein Öldruck aufbaut, so daß das Öl von dem Druckraum vor der Stirnfläche des
Kolbens zum Ende des Zylinders in ähnlicher Weise durch die
ganze
Länge des Spaltes fließt als wenn diese Nut nicht vorhanden wäre.
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Hohe Drehzahlen bei geringem Druck können durchaus auch bei Axialkolbenpumpen
entstehen, wenn diese mit unzulässig hoher Drehzahl angetrieben werden, beispielsweise
die antreibende Maschine - das kann eine Brennkraftmaschine oder ein rlektromotor
sein - auf unzulässig hohe Überdrehzahl angetrieben wird. Häufiger treten Zustände,
in denen ÜDerdrehzahlen entstehen, bei Hydromotoren auf und das wiederum insbesondere
dann, wenn diese auf kleinen Hub eingestellt sind. Deshalb ist die Anwendung der
Nut gemäß der Erfindung insbesondere bei Axialkolbenmotoren vorgesehen.
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Vorzugsweise ist die Anwendung der Nut gemäß der ErfIndung bei Schrägachsmaschinen
vorgesehen.
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Besonders vorteilhaft ist die Anwendung der Nut gemäß der Erfindung
bei Axialkolbenmaschinen, bei denen in jedem Zylinder eine Laufbüchse aus einem
Metall mit guten Gleiteigenschaften, beispielsweise eine Bronzebüchse, eingesetzt,
beispielsweise eingepreßt ist. Bei solchen Bronzebüchsen ist nämlich die Gefahr
eines Wärmestaues groß und ist besonders groß die Gefahr, daß dIese sich zur Zylinderinnenwand
hin
ausdehnen und zwar sowohl infolge der Wärmeausdehnung als auch
infolge des nachlassenden Widerstandes gegenüber dem Druck der Wand der Bohrung
in der Zylindertrommel, so daß der freie Innendurchmesser der Laufbuchse immer kleiner
wird und damiidas Spiel am Kolben so klein wird, daß der Schmierfilm abgepreßt wird
und schließlich metallische Beruhrung und damit Fressen entsteht.
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Zweckmäßigerweise ist die Ilut gemäß der Erfindung im äußeren Drittel,
das heißt dem dem offenen Ende des Zylinders zugewandten Drittel der Zylinderlänge,angeordnet
oder derart angeordndet, daß das Ende des äußeren Drittels der Zylinderlänge in
der Nut liegt. Zweckmäßigerweise hat der Abstand der dem äußeren Ende der Zylinderlauffläche
zugewandten Kante der Nute von dem Ende der Zylinderlauffläche einen Abstand, der
mindestens gleich oder zumindest annähernd gleich 2/3 des Kolbendurchmessers ist.
Zweckmäßig ist fernerhin die Erstreckung der Nut in axialer Richtung gleich 1/3
bis 1/2 des Kolbendurchmessers, insbesondere in einer vorteilhaften Ausgestaltung
gleich dem 0,4-fachen des Kolben durchmessers.
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Die Tiefe der Nut kann 1 mmgkann aber auch wesentlich geringer sein
insbesondere dann, wenn die Wandstärke einer Laufbüchse
gering
ist, wobei die Laufbüchse nicht aus zwei Teilen, die durch die Nut getrennt sind>
bestehen soll sondern eine durchgehende Laufbüchse in die Bohrung in die Zylindertrommel
eingesetzt werden soll. Bei geringer Wandstärke einer solchen Laufbüchse kann die
Tiefe der Nut auch kleiner als 1/2 mm sein.
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In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
im Schnitt durch die Zylindertrommelachse einer vereinfacht dargestellten Triebflansch-Axialkolbenmaschine
dargestellt.
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Figur 1 zeigt eine Axialkolbenmaschine, bei der die Kolben unmittelbar
in der Zylinderwand laufen.
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Figur 2 zeigt eine Axialkolbenmaschine, bei der die Kolben in einer
Laurbüt7ichse innerhalb des Zylinders laufen.
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Die Triebwelle 1 ist in einem Gehäuseteil 2 gelagert und fest mit
einem Triebflansch 3 verbunden, in dem die Kugelköpfe 4 der Pleuelstangen 5 gelagert
sind. Diese Pleuelstangen 5 sind mit Je einem weiteren Kugelkopf 6 in Je einem Kolben
7 gelagert, der in Je einer Bohrung 8 in der Zylindertrommel 9 längs verschiebbar
ist. Jede Zylindertrommel 9 ist
auf einem Mittelzapeen 1C gelagert,
der mit einem Gehäuseteil 11 verbunden ist, in dem Kanäle 12 für die Zufuhr und
Abfuhr der Flüssigkeit zu den Bohrungen 13 in der Stirnfläche der Zylindertrommel
9 f:=hren, wobei diese Bohrungen 13 Jeweils mit einem Zylinder 8 in Verbindung stehen.
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In der Lauffläche Jeder Zylinderbohrung 8 ist eine Nut 14 vorgesenen.
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Die Strecke L zeichnet die Zylinderlaufflächenlänge und die L bezeichnet
1/3 der Laufflächenlänge. Es ist also deutlich w zu erkennen, daß die Nut 14 gim
äußeren Drittel der Zylinderlaufflächenlänge L angeordnet ist.
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Bei der Ausgestaltungsform-gemäß Figzr 2 sind die mit gleichen Bezugszeichen
versehenen Teile gleich mit den jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehenen
Teilen aus Figur 1. Der Unterschied zwischen den Ausgestaltungsformen gemäß Figuren
1 und 2 besteht darin, daß bei der Ausgestaltungsrcrm gemäß Figur 2 in Jede Zylinderbohrung
8 eine Laufbü#chse aus Bronze eingesetzt ist. In diese Laufbüchse 15 aus Bronze
ist Jeweils die Nut 14 eingearbeitet, deren Tiefe einen Teil der Wandstärke der
Laufbüchse 15 ausmacht. Eine zweckmäßige Anordnung für die Lage der Nut 14 ist gegeben,
wenn die Kante 16 der
Nut 14 vom äußeren Zylinderende einen Abstand
hat, der gleich 2/3 des Innenbohrungsdurchmessers der Laurbühcse 15 ist und wenn
die Entfernung zwischen der Kante 16 der Nut 14 und der Kante 17 der Nut 14 gleich
dem 0,4-fachen des Durchmesserd der Innenbohrung der Laufbüchse 15 ist.