DE3545137A1 - Kolben fuer axialkolbenmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Diese Kolben sollen in Axialkolbenmaschinen Verwendung finden, die, ganz allgemein, zur Umwandlung von Druck­ energie in Rotationsenergie oder umgekehrt dienen, also wahlweise als Pumpen oder Hydromotoren eingesetzt werden können.

Das Prinzip einer Axialkolbenmaschine besteht darin, daß sich die Kolben in Zylindern axial hin- und herbewegen können, und die Größe des durch den Kolben im Zylinder begrenzten Verdrängungsraums dadurch verändert werden kann. Beim Einsatz als Pumpe wird durch die Veränderung dieses Volumens das Hydraulikmedium gefördert, beim Einsatz als Motor wird dieses Volumen durch den Zustrom an Hydraulikmedium zyklisch verändert und dadurch die Motordrehung bewirkt. Die Zylinder mit den darin axial verschiebbaren Kolben befinden sich kreisförmig angeordnet und parallel nebeneinander in einer drehbar gelagerten Kolbentrommel. Von den Kolben ragen jeweils ein Ende in den Zylinderraum hinein, während das andere Ende meist kugelförmig aus­ gebildet ist und in einer entsprechend ausgebildeten, pfannenförmigen Lagerung liegt. Über diese pfannenförmigen Lagerungen stützen sich die Kolben über eine hydrostatische Entlastung auf einer ebenen Schiebe ab, die Bestandteil der Wiege ist. Diese Scheibe kann gegenüber der Drehachse der Kolbentrommel geneigt werden, so daß von einer Schrägscheibe gesprochen wird. Dadurch wird bei jeder Umdrehung der Kolbentrommel der Kolben eine halbe Umdrehung lang in den Zylinder hineingeschoben, und die nächste halbe Umdrehung lang wieder herausgezogen, und zwar um so mehr, je schräger die Schrägscheibe gegenüber der Drehachse der Kolbentrommel eingestellt ist.

Da die pfannenförmigen Lagerungen bei schräggestellter Schrägscheibe nicht auf einem Kreis, sondern einer Ellipse umlaufen, müssen diese Lagerungen auf der Schrägscheibe nicht nur umlaufen können, sondern auch radial verschiebbar sein.

Um ein Abheben der pfannenförmigen Gleitschuhe von der Schrägscheibe zu verhindern, ist ein Niederhalter vor­ gesehen, von dem folgende Kräfte zu überwinden sind:

• - Kraft aus der Druckdifferenz zwischen Gehäuse und Zylinder
• - Reibungskräfte
• - Beschleunigungskräfte der Kolbenmassen.

Im üblichen Drehzahlbereich von mehr als 1000 Umdrehungen pro Minute machen letztere den weitaus größten Anteil aus. Dies wird auch aus der Beziehung zur Berechnung der maximalen Beschleunigung deutlich, in die die Winkel­ geschwindigkeit, und damit die Drehzahl, quadratisch eingeht:

a _max = D₀/2 · tan γ · l²D₀= Teilkreisdurchmesser der Kolben in    der Kolbentrommel γ= Schwenkwinkel der Schrägscheibe ω= Winkelgeschwindigkeit.

Da im allgemeinen die für die Festlegung der Kolben­ beschleunigung verantwortlichen Parameter nicht ohne Nachteile verändert werden können, kann die Beanspruchung des Niederhalters nur durch eine Verringerung der Kolbenmasse reduziert werden.

Eine große Kolbenmasse beansprucht jedoch nicht nur den Niederhalter, sondern wirkt sich auch auf das Gleichge­ wicht der Kolbentrommel aus: Die Zentrifugalkräfte der umlaufenden Kolben bewirken unter dem Einfluß des Kolbenhubes ein Moment auf die Kolbentrommel um eine Achse, die senkrecht auf der Drehachse der Kolbentrommel steht und zugleich parallel zur Schwenkachse der Wiege, auf der die Schrägscheibe angeordnet ist. Dieses unerwünschte Drehmoment der Kolbentrommel kann nur durch entsprechende, zusätzliche Andruckkräfte in axialer Richtung der Kolbentrommel kompensiert werden.

Eine möglichst geringe Kolbenmasse würde damit also über eine Verringerung der Massenträgkeit wichtige Teile der Axialkolbenmaschine entlasten.

Aus diesem Grunde ist beispielsweise das Hohlbohren der Kolben angewandt worden. Dabei ragt das geschlossene Kolbenende aus dem Zylinder heraus und der ausgebohrte Kolbenboden in den Zylinder hinein. Dadurch wird jedoch noch der bisherige Verdrängungsraum, das sog. Hubvolumen, um das Volumen der Bohrung, das sog. Totvolumen, vergrößert, das zwar nicht an der Förderung teilnimmt, jedoch wegen seiner Kompressibilität eine höhere Druck­ pulsation mit allen negativen Auswirkungen, beispielsweise erhöhter Geräuschabgabe und geringerem Wirkungsgrad, zur Folge hat.

Um diesen Nachteil zu vermeiden, sind Kolben für Axial­ kolbenmaschinen bekannt, bei denen der Kolbenboden wie oben dargestellt aufgebohrt, jedoch anschließend, zur Vermeidung des Totvolumens, wieder von einem Deckel verschlossen und abgedichtet wurde, Bei solchen Kolben konnte jedoch nicht mehr die für die Herabsetzung der Reibung erforderliche Durchgangsbohrung vom Kolbenboden zum gegenüberliegenden Ende des Kolbens bzw. den Ent­ lastungsdruckfeldern angebracht werden.

Eine andere bekannte Lösung, bei der die Kolben zwar zentrisch, jedoch ringförmig aufgebohrt wurden, damit in der Symmetrieachse der Kolben Material zum Einbringen der besagten Durchgangsbohrung vorhanden war, hat den Nachteil, daß die Herstellung solcher Kolben sehr aufwendig und, besonders bei kleineren Stückzahlen, unwirtschaftlich war, da sowohl für das Aufbohren Spezialwerkzeuge notwendig waren, als auch für das anschließende Verschließen mit einem ringförmigen Deckel beispielsweise das aufwendige Reibschweißen eingesetzt werden mußte.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Kolben mit einer Durchgangsbohrung von Kolbenboden zum gegen­ überliegenden Kolbenende und mit einem möglichst geringen Totvolumen zu schaffen, die eine möglichst geringe Masse aufweisen und einfach herzustellen sind.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 und 2 dargelegt. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein solcher, abgeschwächter, mittlerer Bereich eines Kolbens kann, wenn die einfache Fertigung im Vordergrund steht, mit gleichbleibendem Querschnitt ausgebildet werden, besonders wenn die auf ihn wirkenden Biegekräfte über die axiale Länge des mittleren Bereiches nicht sehr unter­ schiedlich sind, wobei dann natürlich der Querschnitt ent­ sprechend der größten auftretenden Biegebelastung dimensioniert werden muß.

Soll dagegen die Massereduzierung unter Inkaufnahme einer etwas aufwendigeren Herstellung des Kolbens weiter optimiert werden, so wird der Kolbenquerschnitt im axialen Verlauf des mittleren Bereiches entsprechend den an jeder Stelle auftretenden Biegebelastungen verändert, so daß sich eine über den Kolbenverlauf gleichbleibende Durchbiegung ergibt. Eine weitere Massereduzierung des Kolbens wird dadurch möglich, daß vom mittleren Bereich aus die beiden Randbereiche, in denen der Kolben an der Zylinderwandung anliegt, hinter­ dreht wird, was den Vorteil hat, daß die an der Zylinderwandung anliegenden Rest-Mantelflächen, die einen tragfähigen Schmierfilm sowie eine ausreichende Dichtlänge bieten müssen, nicht reduziert werden.

Selbstverständlich lassen sich auch die beiden grund­ sätzlichen Lösungen, Verringerung des äußeren Querschnittes im mittleren Kolbenbereich und konzentrisch angeordnete, am Kolbenboden verschlossene Längsbohrungen, bei Bedarf entsprechend kombinieren.

Unterschiedliche Ausbildungen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben: Es zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Axialkolbenmaschine mit Kolben gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen teilgeschnittenen Kolben mit gleich­ bleibend reduziertem Kolben im mittleren Bereich,

Fig. 3 einen teilgeschnittenen Kolben mit unterschiedlichem Querschnitt im mittleren Bereich, und

Fig. 4 einen Kolben ähnlich der Fig. 3 mit hinter­ drehten Endbereichen.

Fig. 5 einen teilgeschnittenen Kolben mit konzentrisch angeordneten Längsbohrungen im Grund- und Aufriß.

In Fig. 1 ist eine Axialkolbenmaschine dargestellt, die sich in einem topfförmigen Gehäuse 2 befindet, das mit einem Deckel 1 verschlossen ist. Die beiden Teile sind über den Zuganker 5 mit Hilfe der Muttern 21 mitein­ ander verschraubt. Die, im Pumpenbetrieb, über die Welle 19 angetriebene Axialkolbenmaschine besteht im wesentlichen aus der koaxial um die Welle 19 drehbar angeordnete Kolbentrommel 12, die auf der einen Seite auf der Verteiler­ platte 14 gleitet und in die auf der anderen Seite die Kolben 13 hineinragen. Das aus der Kolbentrommel 12 heraus­ ragende Ende der Kolben 13 ist kugelförmig ausgebildet und in den mit einer entsprechenden Innenkontur versehenen Gleitschuhen 16 gelagert. Die Gleitschuhe 16 stützen sich auf der feststehenden Schrägscheibe 17 gleitend ab, um die durch die Schrägstellung der Schrägscheibe 17 zur Welle 19 bedingte ellipsenförmige Umlaufbahn um die Welle 19 einhalten zu können. Um das Maß der bei jeder Umdrehung der Welle 19 erfolgenden Längsverschiebung der Kolben 13 in der Kolbentrommel 12, und damit, beim Pumpenbetrieb, das Hubvolumen einstellen zu können, ist die Schrägscheibe 17, gegen die die Gleit­ schuhe 16 mit Hilfe eines Niederhalters 15 gepreßt werden, auf einer Wiege 18 angeordnet, die mit ihrer halbzylin­ drischen Außenkontur in einer entsprechenden Ausnehmung der Lagerkörpers 10 verschwenkbar ist.

Der in der Axialkolbenmaschine der Fig. 1 verwendete Kolben 13 ist in der Fig. 2 näher dargestellt. Der Kolben 13 weist im vorderen Bereich 3 und hinteren Bereich 4 eine Außenkontur auf, die der Innenkontur des Zylinders ent­ spricht und an dieser entlanggleitet. Im mittleren Bereich 6 ist der Querschnitt des Kolbens 13 jedoch wesentlich geringer, und zwar über die ganze axiale Länge des mittleren Bereiches gleichbleibend. Noch vor dem vorderen Bereich 3 befindet sich der kugelförmig ausgebildete Kopf 7 des kolbens 13, der in einer ent­ sprechenden Ausnehmung des Gleitschuhs 16 drehbar gelagert ist.

Um trotz der hohen Anpressung des Gleitschuhes 16 an die Schrägscheibe 17 die beiden Teile relativ zueinander verschiebbar zu halten, sind an der Unterseite des Gleitschuhes 16 Taschen 8 ausgebildet, die bei ent­ sprechender Druckbeaufschlagung als Entlastungs-Druck­ felder dienen. Die notwendige Druckversorgung geschieht über die Bohrung 9 im Gleitschuh 16 sowie die weiter­ führende Bohrung 11 im Kolben 13 vom Kompressionsraum innerhalb des Zylinders her. Da die Bohrung 11 vorteilhafter­ weise in der Längsachse des Kolbens 13 liegt, wird ihre Funktion durch die Querschnittsverengung im mittleren Bereich 6 des Kolbens 13 nicht beeinträchtigt.

Eine weitere Ausführungsform des Kolbens 13 gemäß der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. Im Gegensatz zu dem Kolben der Fig. 2 weist dabei der mittlere Bereich 6 des Kolbens 13 keinen gleichbleibenden Querschnitt auf, sondern der Querschnitt des Kolbens nimmt zum vorderen Ende hin, entsprechend der steigenden Biegebelastung, zu, was in Längsrichtung über den mittleren Bereich 6 des Kolbens 13 eine gleichmäßige Durchbiegung ergibt.

Der in der Fig. 3 dargestellte Kolben 13 kann hinsichtlich der Masseeinsparung am Kolben noch dahingehend optimiert werden, daß der vordere Bereich 3 und der hintere Bereich 4 des Kolbens 13 vom mittleren Bereich 6 aus hinterdreht werden, ohne die Restmantelflächen, mit denen der Kolben 13 an der Zylinderwandung anliegt, weiter zu verringern, wie in Fig. 4 dargestellt.

Die Verwendung von solchen Kolben ist besonders bei kurzhubigen Axialkolbenmaschinen vorteil­ haft, da in diesem Fall aufgrund der insgesamt geringen Gesamtlänge der Kolben 13 auch nur relativ geringe Biegekräfte auf den Kolben wirken, und die axiale Länge des vorderen Bereiches 3 des Kolbens 13 um so geringer gewählt werden kann, je geringer der Hub der Kolben ist, wenn ein völliges Außereingriffkommen der Mantelfläche des vorderen Bereiches 3 mit der Zylinderwandung vermieden werden soll.

In Fig. 5 ist dagegen ein Kolben gezeigt, dessen Masse ohne Inkaufnahme eines Totvolumens dadurch reduziert wurde, daß in den Kolbenboden konzentrisch um die Kolbenlängsachse Bohrungen 22 eingebracht wurden, so daß in der Mitte des Kolbens genug Material verblieb, um darin die Bohrung 11 einzubringen. Damit die Hohl­ räume der Bohrungen 22 im Betrieb der Axialkolbenmaschine nicht als Totvolumen wirken, werden sie am Kolbenboden durch Deckel 23 verschlossen und abgedichtet, die beispielsweise durch Hartlöten im Kolben befestigt werden. Die in den Fig. 2 bis 4 bzw. 5 dargestellten Ausführungs­ formen lassen sich bei entsprechend dimensionierten Kolben selbstverständlich auch in einer neuen Ausführungs­ form vereinigen, wobei dann die konzentrisch angeordenten, am Zylinderboden wieder verschlossenen Hohlbohrungen entweder nur im vorderen Bereich 4 des Kolbens angeordnet sind, oder so nahe an der Mitte des Kolbens liegen, daß sie sich durch den schmaleren, mittleren Bereich 6 des Kolbens hindurcherstrecken können.

Claims (6)

1. Kolben für Axialkolbenmaschinen, insbesondere kurzhubige Axialkolbenmaschinen des Schrägscheibentyps mit in der Symmetrieachse des Kolbens angeordneter Durchgangsbohrung, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben in axialer Richtung nur in einem ersten, dem freien Zylinder­ ende, also dem Kugelgelenk des Kolbens, zugewandten Bereich sowie in einem zweiten Bereich am anderen Kolbenende eine dem Zylinderquerschnitt entsprechende Außenkontur aufweist und im dazwischenliegenden, mittleren Bereich einen wesentlich geringeren Querschnitt aufweist.

2. Kolben für Axialkolbenmaschinen, insbesondere kurzhubige Axialkolbenmaschinen des Schrägscheibentyps mit in der Symmetrieachse des Kolbens angeordneter Durchgangs­ bohrung, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben mehrere symmetrisch um die Kolbenmitte in Kolbenlängsrichtung verlaufende Bohrungen aufweist, die zum Kolbenboden hin mit Deckeln verschlossen sind.

3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Kolbenbereich über seine axiale Länge einen gleichbleibenden Querschnitt aufweist.

4. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Kolbenbereich in seinem Verlauf eine unterschiedliche Dicke aufweist, dessen Festigkeit sich analog der mit der axialen Erstreckung sich ändernden Biegespannung verändert, um in dem mittleren Kolbenbereich eine gleichmäßige Durchbiegung zu erzielen.

5. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des ersten dem freien Zylinderende also dem Kugelgelenk des Kolbens zugewandten, Kolbenbereiches größer ist als der maximale Hub der Axialkolbenmaschine.

6. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der vordere Bereich (3) und der hintere Bereich (4) des Kolbens (13) nicht massiv ausgebildet, sondern vom mittleren Bereich (6) her ringförmig ausgehöhlt sind, ohne die Mantelflächen des vorderen Bereichs (3) und hinteren Bereichs (4) zu reduzieren.