DE3333812A1

DE3333812A1 - Axialkolbenmaschine in schraegachsenbauweise mit zwei unabhaengigen arbeitsstroemen

Info

Publication number: DE3333812A1
Application number: DE19833333812
Authority: DE
Inventors: Walter 7916 Nersingen Merkle; Ludwig 7917 Vöhringen Wagenseil
Original assignee: Hydromatik GmbH
Current assignee: Hydromatik GmbH
Priority date: 1983-09-19
Filing date: 1983-09-19
Publication date: 1985-04-11
Also published as: JPS6095193A; US4617853A; DE3333812C2; JPH0646028B2

Description

Axialkolbenmaschine in Schrägachsenbauweise mit zwei unabhängigen Arbeitsströmen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Axialkolbenmaschine in Schrägachsenbauweise mit mindestens zwei unabhängigen Arbeitsströmen, bei der in Zylinderbohrungen einer Zylindertrommel mindestens zwei Gruppen von Arbeitskolben auf je einem Teilkreis angeordnet sind, einem äußeren Teilkreis mit großem Durchmesser und einem inneren Teilkreis mit kleinerem Durchmesser, bei der die Zylindertrommel sich auf einem Steuerspiegelkörper mit zwei den Teilkreisdurchmessern entsprechend angeordneten Gruppen von Steuernieren dreht, bei der die Arbeitskolben in einer Triebscheibe schwenkbar gelagert sind, die mit der Triebwelle der Maschine fest verbunden ist, und bei der die Zylindertrommel durch Mitnahme über die Arbeitskolben drehangetrieben ist.

Eine Axialkolbenmaschine dieser Art ist beispielsweise aus der DE-OS 31 34 537 bekanntgeworden. Dabei handelt es sich um eine sogenannte starre Einheit, das heißt der Schrägwinkel zwischen Zylindertrommel und Triebwelle ist konstant und nicht veränderlich. Durch die auf verschiedenen Teilkreisen angeordneten zwei Gruppen von Arbeitskolben werden unabhängige Arbeitsströme des durch die Maschine geförderten Mediums erzeugt, wobei die unabhängigen Arbeitsströme dazu benutzt werden, durch entsprechende Summierung oder Subtraktion der Förderströme eine größere Anzahl von Fördervolumina bei Verwendung der Maschine als Pumpe oder eine größere Anzahl von Dreh-

zahlen bei Verwendung der Maschine als Motor zu erzielen. Die mehreren unabhängigen Arbeitsströme werden also dazu benutzt, eine solche ansich starre Einheit diskontinuierlich, das heißt stufenweise entsprechend der Summierung oder Subtrahierung der Förderströme veränderlich zu machen.

Axialkolbenmaschinen mit mehreren Gruppen von auf verschiedenen Teilkreisen angeordneten Arbeitskolben, bei denen der durch jede Gruppe von Arbeitskolben erzeugte Arbeitsstrom im Volumen kontinuierlich gleichzeitig oder unabhängig von den anderen Arbeitsströmen veränderbar ist, sind beispielsweise aus der US-PS 1,714,148, US-PS 2,52o,632 oder DE-PS 31 27 61o bekanntgeworden. Dabei handelt es sich durchweg um Axialkolbenmaschinen in sogenannter SchiefScheibenbauart, bei welchen die Triebwelle und die Zylindertrommel auf einer gemeinsamen Drehachse liegen und die Hin- und Herbewegung der Arbeitskolben in den Zylinderbohrungen der Zylindertrommel durch eine zu der genannten Drehachse schiefstehende Scheibe bewirkt wird. Bei solchen Maschinen werden insbesondere in der Betriebsart als Pumpe keine Drehmomente durch die Arbeitskolben auf die Zylindertrommel übertragen, da die Zylindertrommel nicht durch die Arbeitskolben drehangetrieben wird. Die Veränderung der Fördervolumina der Arbeitsströme ist auf einfache Weise durch Veränderung der Schiefstellung der Schiefscheibe gegenüber der Drehachse möglich. Sind, wie aus den bekannten Schriften ersichtlich, den einzelnen Gruppen von Arbeitskolben auf den jeweiligen Teilkreisen gesonderte Schiefscheiben oder SchiefScheibenbereiche zugeordnet, ist auch eine unabhängige kontinuierliche Verstellung einzelner Arbeitsströme ermöglicht.

Bei Axialkolbenmaschinen in Schrägachsenbauweise mit einem Arbeitsstrom, das heißt einer Gruppe von auf einem Teilkreis angeordneten Arbeitskolben, ist eine kontinuierliche Veränderung des Fördervolumens (oder Drehzahl bei Ver-

wendung als Motor) durch Veränderung des Schrägwinkels zwischen Triebwelle und Zylindertrommel bekannt. Diese Änderung des Schrägwinkels erfolgt durch einen Verstellmechanismus, welcher an dem die Zylindertrommel enthaltenden Gehäuse teilangreift, welches gegenüber dem die Lagerung der Triebwelle enthaltenden Gehäuseteil schwenkbar gelagert ist. Der Verstellmechanismus kann auch direkt an dem als Schwenkschlitten innerhalb eines starren Gehäuses ausgebildeten Steuerspiegelkörper angreifen. Da bei derartigen Schrägachsenmaschinen die Arbeitskolben zur Drehmitnahme der Zylindertrommel in jeder Betriebsart deren Reibungs- und Beschleunigungsmomente übertragen müssen und die Ausbildung der Arbeitskolben zur Übertragung dieser Momente ausgebildet sein müssen, ist es bisher nicht möglich gewesen, im Schrägwinkel veränderliche Axialkolbenmaschinen mit mehreren unabhängigen Arbeitsströmen wirtschaftlich zu bauen. Die Vielzahl der bewegten Massen lassen hohe Drehzahlen nicht zu. Wie aus der DE-OS 31 27 61o ersichtlich, hat man bei Axialkolbenmaschinen in Schrägachsenbauweise mehrere Gruppen von Arbeitskolben auf verschiedenen Teilkreisen nur vorgesehen, um an Stelle des Verstellmechanismus eine stufenweise Veränderung der Förderströme, günstigstenfalls eine Addition der Förderströme bei Betriebsart als Pumpe oder der Drehzahl bei Betriebsart als Motor zu erzielen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Axialkolbenmaschine in Schrägachsenbauweise mit mindestens zwei unabhängigen Arbeitsströmen der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß auch höhere Drehzahlen und Drehzahländerungen unter Beherrschung der von den Arbeitskolben zu übertragenden Mitnahmekräfte (Momente) eine kontinuierliche Veränderung der Fördervolumina der Arbeitsströme (Verwendung als Pumpe) bzw. Drehzahl (Ver-.

wendung als Motor) möglich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Axialkolbenmaschine in Schrägachsenbauweise der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Axialkolbenmaschine als im Schrägwinkel zwischen Triebwelle und Zylindertrommel und damit in den Fördervolumina kontinuierlich verstellbare Maschine ausgebildet ist, in dem ein an dem Steuerspiegelkörper direkt oder indirekt angreifender Verstellmechanismus vorgesehen ist, und daß die Drehmitnahme der Zylindertrommel nur durch eine der Gruppen der Arbeitskolben eines Teilkreises erfolgt.

Es hat sich gezeigt, daß die Massenprobleme auch für hohe Drehzahlen beherrscht werden können, wenn nur eine auf einem der Teilkreise angeordnete Gruppe von Arbeitskolben für die Momentübertragung und damit Drehmitnahme

der Zylindertrommel

herangezogen werden. In zweckmäßiger

Ausgestaltung der Erfindung sind die Gruppe der nicht drehmitnehmenden Arbeitskolben sphärische Kolben mit nur einer dichtend in d^r Zylinderbohrung laufenden Dichtzone. Solche sphärische Kolben, die einstückig und nicht aus einem Kolben und kugelgelenkig damit verbundene Kolbenstange bestehen, siijid ansich bekannt.

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In einer ersten zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Drehmithahme der Zylindertrommel nur über die Gruppe der Arbeitskolben auf dem äußeren Teilkreis. Da der äμßere Teilkreis gegenüber anderen Teilkreisen einen großen Durchmesser und damit jeder Arbeitskolben einen großen radialen Abstand von der Mitteldrehachse der Zylindertrommel hat\ sind bei dieser Gruppe von Arbeits-

kolben die zu übertragenden Mitnahmekräfte klein bezüglich des zu übertragenden Drehmomentes. Die Arbeitskolben können entsprechend,leicht ausgebildet werden und trotzdem die erforderlichen Mitnahmekräfte übertragen. Außerdem hat sich bei dieser Ausbildung gezeigt, daß das Verhalten gegenüber Drehschwingungen der Zylindertrommel

bei der Mitnahme der Zylindertrommel nur über den äußeren Teilkreis besonders günstig ist.

Bei einer zweiten zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Drehmitnahme der Zylindertrommel nur
über die Gruppe der Arbeitskolben auf dem inneren Teilkreis. Bei dieser Ausgestaltung läßt die Axialkolbenmaschine hohe Drehzahlen zu, da die Arbeitskolben auf
äußeren Teilkreisen keine Mitnahmekräfte zu übertragen

haben und daher leicht gebaut werden können, so daß die

geringen Massen auch geringe Fliehkräfte erzeugen. Welche der beiden genannten Ausgestaltungen besonders zweckmäßig ist, richtet sich nach dem Anwendungsbereich der Axialkolbenmaschine, insbesondere nach der Höhe der notwendigen Drehzahlen.

In zweckmäßiger Ausbildung beider genannter Ausgestaltungen der Erfindung sind die drehmitnehmenden Arbeitskolben als einstückige Kolben ausgebildet, die sich von der

Triebscheibe aus gesehen in die Zylinderbohrung hinein
konisch verdicken und eine sich an die Zylinderbohrung
anlegende Mitnahmezone bilden, und bei denen sich an die
Mitnahmezone eine dichtend in der Zylinderbohrung laufende Kugelzone anschließt, die einen dem Durchmesser der

Zylinderbohrung entsprechenden Kugeldurchmesser hat.

Derartige einstückige Kolben sind aus der DE-AS 23 58 87o bekannt. Sie sind für die Verwendung im Rahmen der vorliegenden Erfindung besonders geeignet, daß sie klein und leichtbauend sind und größere Schrägwinkel zwischen

Zylindertrommel und Triebwelle zulassen als übliche mehrteilige Kolben, bei denen die Mitnahmekräfte durch Anlage der Kolbenstange an der Zylinderbohrung oder durch Anlage an einem zylindrischen Kolbenkörper übertragen werden,
welcher kugelgelenkig mit der Kolbenstange verbunden ist.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen

Figur 1 schematisch teilweise im Schnitt

entlang der Linie I-I in Fig. 2 eine erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine

Figur 2 eine Schnittansicht entlang der

Linie II-II in Fig. 1

Figur 3 schematisch teilweise in einem

gegenüber Fig. 1 um 9o° versetzten Schnitt eine erfindungsgemäße

Axialkolbenmaschine

Figur 4 eine Schnittansicht entlang der

Linie IV-IV in Fig. 3

Figur 5 im Ausschnitt und Schnitt die erste

Ausgestaltung der Erfindung und

Figur 6 im Ausschnitt und Schnitt die zweite

Ausgestaltung der Erfindung.

Die in den Figuren 1 und 3 dargestellte Axialkolbenmaschine weist eine über ein Kugellager 1 in einem Gehäuse 2 gelagerte Triebwelle 3 auf, die einstückig eine Triebscheibe 4 trägt. An der Triebscheibe 4 sind über Gelenkkugeln 5 Ärbeitskolben 6, 1 kugelgelenkig gelagert. Die Arbeitskolben 6, 7 bewegen sich in Zylinderbohrungen einer Zylindertrommel 9. Die Zylindertrommel 9 wird von der Triebwelle 3 über die Triebscheibe 4 und die Arbeitskolben 6 in Drehung versetzt. Der Hub der Arbeitskolben 6, 7 richtet sich nach dem Schrägwinkel der Zylinder-

trommel-Drehachse 1o zur Drehachse 11 der Triebwelle 3. Die Zylindertrommel 9 wird durch einen über eine Kugel 12 an der Triebscheibe 4 gelagerten Mittelzapfen 13 zentriert und stützt sich - im belasteten Zustand der Maschine unter der Wirkung der Druckkräfte des Arbeitsmediums und im unbelasteten Zustand der Maschine nur unter der Kraft der zwischen dem Zapfen 13 und der Zylindertrommel 9 vorgesehenen Druckfeder 14 - auf einem Steuerspiegelkorper 15 ab. Der Steuerspiegelkörper 15 ist seinerseits auf einer zylindrischen Führungsbahn 16 des Gehäuseteiles 17 abgestützt. Zur Änderung des Schrägwinkels der Achse 1o der Zylindertrommel 9 gegenüber der Achse 11 der Triebwelle 3 und damit der Änderung des Hubvolumens der Arbeitskolben 6, 7 in den Zylinderbohrungen 8 greift an dem Steuerspiegelkörper 15 ein Verstellzapfen 18 an, der mit einer Stellstange 19 fest verbunden ist. Die Stellstange 19 ist ihrerseits verschieblich in dem Gehäuseteil 17 in einer Bohrung 2o gelagert. An der Stellstange 19 greift ein nicht dargestellter Verstellmechanismus an, durch den die Stellstange 19 in Längsrichtung verschoben wird, so daß der Zapfen 18 den Steuerspiegelkorper 15 in der zylindrischen Führungsfläche 16 unter Schwenkung der Zylindertrommel 9 um die Schwenkachse 21 verschiebt.

Es sind zwei Gruppen von Arbeitskolben 6 und 7 vorgesehen, welche auf unterschiedlichen Teilkreisen, einem äußeren Teilkreis 22 und einem inneren Teilkreis 23 angeordnet sind. Auf jedem Teilkreis befinden sich Gruppen von sieben Kolben 6 bzw. 7. Bei der in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausgestaltung sind die Arbeitskolben 6 des äußeren Teilkreises 22 als drehmitnehmende Arbeitskolben ausgebildet, das heißt diese Kolben können Mitnahmekräfte zwischen der Triebscheibe 4 und der Zylindertrommel 9 übertragen. Dies geschieht bei der gezeigten Ausführungsform der Arbeitskolben 6 als einstückige Kolbenelemente

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durch sich konisch in Richtung der Zylinderbohrungen 8 erweiternde Mitnahmezonen 24, an welche sich die Dichtfunktion der Arbeitskolben ausübende Kugelzonen 25 anschließen, wie aus Figur 5 näher ersichtlich. Derartige einstückige Kolben 6 sind ansich bekannt. Die keine Mitnahmekräfte übertragenden Arbeitskolben 7 auf dem inneren Teilkreis gemäß Figuren 1 bis 3 und 5 sind als einstückige sphärische Kolben ausgebildet, welche lediglich eine sphärische bzw. Kugelzone 28 zur Ausübung der Dichtfunktion aufweisen. Auch solche sphärische Kolben sind ansich bekannt. Bei der in Figur 6 dargestellten Ausführungsform sind die drehmitnehmenden, das heißt Mitnahmekräfte übertragenden Arbeitskolben 26 auf dem inneren Teilkreis 23 angeordnet und die lediglich die Dichtfunktion ausübenden Arbeitskolben 27 auf dem äußeren Teilkreis 22.

Innerhalb des SteuerSpiegelkörpers 15 sind jeder Gruppe von Arbeitskolben zugeordnete Saugschlitze 3o und 31 sowie Druckschlitze 32 und 33 vorgesehen. Bei der gezeigten Ausführungsform und bei Betrieb der Axialkolbenmaschine als Pumpe sind die beiden Saugschlitze 3o und in einem gemeinsamen Saugkanal 3 4 zusammengeführt, während die Druckschlitze 32, 33 je in einem getrennten Druckkanal 35 bzw. 36 innerhalb des Gehäuseteiles 17 münden, so daß getrennte, unabhängige druckseitige Arbeitskreise gebildet sind. Selbstverständlich kann entgegen der dargestellten Ausbildung die Anordnung der Kanäle 34, 35 und 36 innerhalb des Gehäuseteiles 17 auch symmetrisch sein, so daß auch saugseitig getrennte Kanäle vorliegen und vollständig unabhängige geschlossene Arbeitskreisläufe gebildet werden. Derartige Axialkolbenmaschinen können sowohl als Motor als auch als Pumpe betrieben werden und getrennte, offene oder geschlossene Arbeitskreisläufe versorgen. Für Pumpenbetrieb ist eine derartige Axialkolbenmaschine auch für Reversierbetrieb

einsetzbar, das heißt mit positivem und negativem Schrägwinkel der Zylindertrommel 9 von einer neutralen Mittellage aus, so daß die Druck- und Saugseiten der unabhängigen Kreisläufe vertauschbar sind.

10 Der Patentanwalt

Claims

ANSPRÜCHE

1. Axialkolbenmaschine in Schrägachsenbauweise mit mindestens zwei unabhängigen Arbeitsströmen, bei der in Zylinderbohrungen einer Zylindertrommel mindestens zwei Gruppen von Arbeitskolben auf je einem Teilkreis angeordnet sind, einem äußeren Teilkreis mit großem Durchmesser und einem inneren Teilkreis mit kleinerem Durchmesser, bei der die Zylindertrommel sich auf einem Steuerspiegelkörper mit zwei den Teilkreisdurchmessern entsprechend angeordneten Gruppen von Steuernieren dreht, bei der die Arbeitskolben in einer Triebscheibe schwenkbar gelagert sind, die mit der Triebwelle der Maschine fest verbunden ist, und bei der die Zylindertrommel durch Mitnahme über die Arbeitskolben drehangetrieben ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Axialkolbenmaschine als im Schrägwinkel zwischen Triebwelle (3) und Zylindertrommel (9) und damit in den

Fördervolumina kontinuierlich verstellbare Maschine ausgebildet ist, indem ein an dem SteuerSpiegelkörper (15) direkt oder indirekt angreifender Verstellmechanismus vorgesehen ist, und daß die Drehmitnahme der Zylindertrommel (9) nur durch eine der Gruppen der Arbeitskolben (6; 26) eines Teilkreises (22; 23) erfolgt.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehmitnahme der Zylindertrommel (9) nur über die Gruppe der Arbeitskolben (6) auf dem äußeren Teilkreis (22) erfolgt.

IQ 3. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehmitnahme der Zylindertrommel (9) nur über die Gruppe der Arbeitskolben (26) auf dem inneren Teilkreis (23) erfolgt.

4. Maschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die drehmitnehmenden Arbeitskolben (6; 26) als einstückige Kolben ausgebildet sind, die sich von der Triebscheibe (4) aus gesehen in die Zylinderbohrungen

(8) hinein konisch verdicken und eine sich an die Zylinderbohrungen anliegende Mitnahmezone (24) bilden und bei denen sich an die Mitnahmezone (24) eine dichtend in der Zylinderbohrung (8) laufende Kugelzone (25) anschließt, die einen dem Durchmesser der Zylinderbohrung entsprechenden Kugeldurchmesser hat.

5. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppe(n) der nicht drehmitnehmenden Arbeitskolben (7; 27) sphärische Kolben mit nur einer dichtend in der Zylinderbohrung laufenden Dichtzone (28) sind.