DE3637174A1 - Kolbenmaschine mit umschaltbarem hubraum - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine mit um­ schaltbarem Hubraum gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.

Bei Mehrkolbenmaschinen wird der Hubraum in bekannter Weise dadurch verändert, daß man auf die Anzahl der tätigen Kolben und Nocken einwirkt (Poclain Hydraulics). Zur Umschaltung sind die Mehrkolbenmotoren mit einem Drei-Kanal-Verteiler versehen, der mit den Kolben in Verbindung steht. Dabei ist stets ein Kanal mit dem Hochdruck und ein zweiter Kanal mit dem Niederdruck verbunden. Der dritte Kanal wird über ein Schaltventil geschaltet: Ist der dritte Kanal mit dem Hochdruck verbunden, so weist die Maschine das volle Hubvolumen auf. Wird aber der dritte Kanal an Niederdruck ange­ schlossen, so verringert sich das Hubvolumen auf die Hälfte, wobei auch das Drehmoment entsprechend ver­ mindert ist. Wird aber von der Druckmittelquelle das gleiche Fördervolumen geliefert, so verdoppelt sich die Drehzahl des Motors.

Die bei halbem Hubvolumen mit dem Niederdruck beauf­ schlagten Kolben verursachen hoche mechanische Rei­ bungsverluste und liefern ein Anlaufdrehmoment, das oft ein Anfahren unter Last nicht mehr erlaubt. Be­ kanntlich kann der Niederdruck in geschlossenen Hydrauliksystemen in der Größenordnung von 15 bis 25 bar und höher liegen. Die Wirkungsgradverluste solcher Maschinen bei halbem Schluckvolumen sind dann ver­ hältnismäßig hoch.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Kolbenmaschine mit umschaltbarem Hubraum so auszu­ bilden, daß der Wirkungsgrad verbessert und die Durch­ flußverluste verringert werden.

Die Aufgabe ist mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.

Erfindungsgemäß werden so die zu den Kolben, die zur Hub­ raumverringerung abgeschaltet werden sollen, gehörenden Zylinderräume über die Verteilerkanäle und das Wegeventil miteinander verbunden und von der Arbeitsmittelzu- und-ab­ führung getrennt. Beim Stand der Technik werden dagegen die abgeschalteten Verteilerkanäle jeweils der Niederdruckseite, also der Arbeitsmittelabführung zugeschaltet und damit bei einer Reversierung zwangsläufig mit der Arbeitsmittelzu­ führung verbunden. Dies bedeutet, daß in diesem Fall eine zusätzliche Druckbelastung in der Maschine auftritt, die sich als Wirkungseinbuße bemerkbar macht. Dieser Nachteil entfällt erfindungsgemäß. Die von jeweils einem abgeschal­ teten Kolben verdrängte Arbeitsmittelmenge wird beim Umlauf der Maschine vom Gegenkolben aufgenommen. Erfindungsgemäß kann ferner die Anzahl der nicht tätigen Kolben mit einem Servodruck beaufschlagt werden, der wesentlich niedriger als der im System herrschende Niederdruck ist. So sind für den Servodruck bereits 1 bis 5 bar ausreichend. Die nicht tätigen Kolben, also die Kolben in der Leerhubstellung, sind so nur mit dem sehr niedrigen Servodruck beaufschlagt und verursachen nur geringfügige Verluste.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß bei halbem Hubvolumen der Förderstrom für die tätigen Kolben nicht über das Wegeventil geleitet wird, sondern vielmehr unmittelbar den entsprechenden Steuerbohrungen für die tätigen Kolben zuführbar ist. Auf diese Weise werden die von dem Ventil verursachten Durchflußverluste vermieden.

Bei Drehrichtungsumkehr der Maschine bleiben die beschrie­ benen Zustände und Vorteile erhalten.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. So ist erfindungsgemäß das Wegeventil im Verteiler der Maschine angeordnet, die einen Servodruckanschluß aufweist, wobei von dem Servodruck der Schieber des Wegeventils umgeschaltet wird und dabei durch ein sich öffnendes Rückschlagven­ til der Servodruck die miteinander zu verbindenen Ver­ teilerkanäle beaufschlagt.

Durch Zusammenfassen der zu den Kolben führenden Steuer­ bohrungen im Verteiler in gruppenweise angeordneten Verteilerkanälen läßt sich vorzugsweise bei der Hub­ raumumschaltung ein Verhältnis von 1 : 2 erzielen, doch sind auch andere Hubraumverhältnisse und Drehzahlver­ hältnisse möglich, wenn die Steuerbohrungen mit einer entsprechenden Anzahl von Verteilerkanälen verbunden werden. Das Wegeventil muß stets so ausgeführt sein, daß in der jeweiligen Schaltstellung eine bestimmte Anzahl von Kolben mit dem Servodruck beaufschlagbar ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist anhand der einzigen Figur der Zeichnung nachfolgende näher er­ läutert. Die Zeichnung zeigt einen Axialschnitt durch eine Mehrhubkolbenmaschine.

Die in der Zeichnung dargestellte Kolbenmaschine ist in der üblichen Weise aufgebaut und besteht aus einem Hubring 10, an dessen Innenseite die Hubkurve 11 aus­ gebildet ist. Beispielsweise ist die Hubkurve 11 mit sechs Nocken versehen. Zu beiden Seiten des Hubrings 10 befinden sich Gehäuseteile 12 und 14. Das Gehäuse­ teil 14 weist Lager 15, 16 und 17 auf, mit denen eine Triebwelle 18 radial und axial gelagert ist. Auf der Drehwelle 18 ist ein Rotor 20 befestigt, in dem eine Anzahl von radialen am Außenumfang offenen Bohrungen 21 vorgesehen ist, von denen jede einen Kolben 22 auf­ nimmt. Der Schnitt durch die Maschine in der Zeichnung ist so gelegt, daß nur ein Kolben 22 sichtbar ist. Jeder Kolben 22 trägt einen Schuh 23, der auf der Hubkurve 11 gleitet. Es sind beispielsweise acht Kol­ ben 22 vorgesehen.

In dem Gehäuseteil 12 ist ein Verteiler 25 eingesetzt. Dem Rotor 20 zugekehrt sind in dem Verteiler 25 meh­ rere im einzelnen noch zu beschreibende Steuerbohrun­ gen vorgesehen, über die der Förderstrom zu den Kolben geleitet bzw. abgeführt wird. Insoweit entspricht die Maschine der üblichen Ausführung. Wird die Maschine als Motor betrieben, so wird über den Hochdruckan­ schluß A und entsprechende Steuerbohrungen denjenigen Kolben Druckmittel zugeführt, die sich durch den Hoch­ druck radial nach außen verschieben können, wodurch die Drehwelle 18 angetrieben wird, worauf bei der nach innen gerichteten Bewegung der Kolben das Druckmittel über entsprechende Steuerbohrungen zum Niederdruck­ anschluß B der Maschine verdrängt wird. Genauso gut kann die Maschine als Pumpe arbeiten, wenn die Trieb­ welle 18 von außen angetrieben wird.

In dem Verteiler 25 sind vier Verteilerkanäle 27, 28, 29 und 30 angeordnet, von denen jeder Verteilerkanal mit am Umfang des Verteilers 25 in Abständen angeord­ neten Steuerbohrungen 31 bzw. 32 in Verbindung steht. Da die Maschine in der Zeichnung im Schnitt dargestellt ist, sind nicht alle Steuerbohrungen erkennbar. Aus der Darstellung ist ersichtlich, daß der Hochdruck­ anschluß A über den Verteilerkanal 27 mit der Steuer­ bohrung 31 und der Niederdruckanschluß B über den Verteilerkanal 30 mit der Steuerbohrung 32 verbunden ist. Der Hochdruck- und Niederdruckanschluß A bzw. B ist aber über die Verteilerkanäle 27 und 30 auch noch jeweils mit einer weiteren Steuerbohrung verbunden, die in der Zeichnung nicht sichtbar ist.

Gleiches gilt für die Verteilerkanäle 28 und 29, von denen ebenfalls jeder mit zwei Steuerbohrungen in Ver­ bindung steht, die rotorseitig am Verteiler 25 aus­ münden und nicht sichtbar sind.

In einer exzentrischen Bohrung des Verteilers 29 ist ein Schieber 35 angeordnet, der aus drei Kolbenab­ schnitten 36, 37, 38 und zwei zwischen den Kolben­ abschnitten gebildeten Ringnuten 39 und 40 besteht. Der Bohrungsraum 41 ist über einen Servodruckanschluß 42 mit einer nicht dargestellten äußeren Servodruck­ mittelquelle verbindbar. Liegt am Anschluß 42 kein Servodruck an, so ist der Schieber 35 von einer sich an einem Deckel 44 des Verteilers 25 abstützenden Feder 45 in die dargestellte Lage gedrückt, in der die Verteilerkanäle 27 und 28 miteinander verbunden und auch die Verteilerkanäle 29 und 30 miteinander verbunden sind. In dieser Schaltstellung des Schiebers 35 ist somit über die Ringnut 39 der Verteilerkanal 28 und die an ihn angeschlossenen Steuerbohrungen eben­ falls mit Hochdruck beaufschlagt, während über die Ringnut 40 der Verteilerkanal 29 und die an ihn ange­ schlossenen Steuerbohrungen über den Verteilerkanal 30 mit dem Niederdruckanschluß B verbunden sind. In dieser Schaltstellung sind somit alle Steuerbohrungen an Hochdruck bzw. Niederdruck angeschlossen, die Maschine besitzt das volle Hubvolumen und damit das volle Drehmoment.

Soll auf halbes Hubvolumen umgeschaltet werden, so wird der Anschluß 42 mit Servodruck beaufschlagt. Durch den Druckaufbau im Raum 41 wird der Schieber 35 entgegen der Kraft der Feder 45 umgeschaltet, so daß vom Kolbenabschnitt 38 der Verteilerkanal 30 und vom Kolbenabschnitt 37 der Verteilerkanal 27 abgesperrt wird. In dem Schieber 35 ist ein Rückschlagventil 47 vorgesehen das in Strömungsrichtung vom Raum 41 zur Ringnut 40 öffnet. Dadurch kann der Servodruck vom Raum 41 über das sich öffnende Rückschlagventil 47 in die Ringnut 40 und von dieser in die beiden mitt­ leren Verteilerkanäle 28 und 29 eintreten. Die mit den zugehörigen Steuerbohrungen mit diesen Verteiler­ kanälen 28 und 29 in Verbindung stehenden Kolben sind somit mit Servodruck beaufschlagt und sind damit in Leerhubstellung geschaltet.

Es ist ersichtlich, daß in dieser umgeschalteten Lage des Schiebers 35 der Hochdruckstrom unmittelbar vom Anschluß A zu den Steuerbohrungen bzw. der Nieder­ druckstrom unmittelbar zum Anschluß B gelangt, ohne daß das Wegeventil vom Förderstrom durchflossen wird, so daß entsprechende Durchflußverluste bei der Um­ schaltung auf das halbe Hubvolumen vermieden sind.

Sollen die zur Hubraumverringerung abgeschalteten Kol­ ben nicht mit dem Servodruck verbunden werden, dann entfällt das Rückschlagventil 47 im Wegeventilschieber 35. Bei Umschaltung des Wegeventils sind dann die Ver­ teilerkanäle 28 und 29 lediglich miteinander verbunden und von den Anschlüssen A und B abgetrennt. Auch damit ist eine Hubraumverringerung der Maschine ohne wesent­ liche Wirkungsgradverschlechterung möglich.

Claims (10)

1. Kolbenmaschine mit umschaltbarem Hubraum, mit einem Verteiler, in dem zu den Kolben führende Steuerboh­ rungen und mit den Steuerbohrungen verbundene Verteiler­ kanäle vorgesehen sind, über die die Kolben mit einem Hochdruck- bzw. Niederdruckanschluß verbindbar sind und mit einem Wegeventil zur Hubraumumschaltung, bei dessen Betätigung die Anzahl der wirksamen Kolben veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Hubraumverringerung eine Anzahl von Verteilerkanälen (27, 28, 29, 30) mittels des Wegeventils von dem Hochdruck- und Niederdruckanschluß ab­ trennbar und untereinander verbindbar ist.

2. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wegeventil mittels eines Servodrucks umschalt­ bar ist.

3. Kolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die abgetrennten Verteilerkanäle mit einem Anschluß für den Servodruck verbunden werden.

4. Kolbenmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Wegeventil ein Rückschlagventil (47) aufweist, über das der Servodruck den Verteilerkanälen (28, 29) für die unwirksamen Kolben zuführbar ist.

5. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß das Wegeventil einen federbeauf­ schlagten Schieber (35) mit Schaltstellungen aufweist, wo­ bei in einer Schaltstellung die Verteilerkanäle (27, 28, 29, 30) mit dem Hochdruck- bzw. Niederdruckanschluß ver­ bunden sind und in einer anderen Schaltstellung eine be­ stimmte Anzahl von Verteilerkanälen miteinander bzw. mit dem Servodruckanschluß (42) verbunden ist.

6. Kolbenmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Rückschlagventil (47) im Schieber (35) des Wegeventils angeordnet ist.

7. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Schieber (35) des Wege­ ventils in dem Verteiler (25) der Maschine angeordnet ist.

8. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Hubraumumschaltung im Verhältnis 1 : 2 vier Verteilerkanäle (27, 28, 29, 30) vor­ gesehen sind, die jeweils mit einer gleichen Anzahl Steuer­ bohrungen (31, 32) verbunden sind, daß bei vollem Hub­ volumen jeweils zwei Verteilerkanäle mit dem Hochdruckan­ schluß (A) und mit dem Niederdruckanschluß (B) verbunden sind und bei halbem Hubvolumen jeweils ein Verteilerkanal mit dem Hochdruck- bzw. Niederdruckanschluß und die rest­ lichen beiden Verteilerkanäle miteinander bzw. mit dem Servodruckanschluß (42) verbunden sind.

9. Kolbenmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Verteiler (25) vier Verteilerkanäle in axialem Abstand angeordnet sind und der Schieber (35) zwei Ring­ nuten (39, 40) aufweist, daß bei vollem Hubvolumen jeweils ein äußerer Verteilerkanal (27, 30) über je eine Ringnut (39, 40) mit dem benachbarten Verteilerkanal (28, 29) ver­ bunden ist und bei halbem Hubvolumen die beiden mittleren Verteilerkanäle (28, 29) miteinander bzw. mit dem Servo­ druckanschluß (42) verbunden sind.

10. Kolbenmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Verteilerkanäle (27, 30) an den Hoch­ druckanschluß (A) und den Niederdruckanschluß (B) ange­ schlossen sind.