DE3725525A1 - Verstellbare axialkolbenmaschine in schraegachsenbauweise - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine verstellbare Axialkolbenmaschine in Schrägachsenbauweise mit einer Zylindertrommel, die auf einem Schwenkschlitten mit zwei nierenförmigen Kanälen, von denen der eine mit einem Flüssigkeitszufuhrkanal und der andere mit einem Flüssigkeitsabfuhrkanal in Verbindung steht, drehbar gelagert ist und sich an einer Kolbenführungs­ fläche in einem anderen Bauteil über Kolbenstangen abstützt, wobei die Zylindertrommel und das die Kolbenführungsfläche tragende Bauteil in gleicher Drehrichtung bewegbar und dadurch Kolben in zylindrischen Bohrungen verschiebbar sind, wobei die Zylindertrommel mit ihren Verbindungsöffnungen zu den zylindrischen Bohrungen aufweisenden Stirnfläche an dem Schwenkschlitten drehbar anliegt, wobei der Schwenk­ schlitten mit seiner der Zylindertrommel abgewandten Seite in einer konkaven Gehäuseführung anliegt, wobei die gemein­ same Krümmungsachse von konvexer und konkaver Fläche die Drehachse der Maschine in der Kolbenführungsfläche schneidet, wobei weiter Stellkolben zur Verstellung des Winkels zwischen der Zylindertrommelachse und der Kolbenführungsfläche zur Veränderung des Kolbenhubes vorgesehen sind.

Bei den bekannten verstellbaren Axialkolbenmaschinen in Schrägachsenbauweise dieser Gattung, insbesondere bei den sogenannten Schwenkschlittenmaschinen ist der Schwenk­ schlitten zur leichteren Verstellbarkeit gegenüber der Schwenkschlittenführungsfläche hydrostatisch entlastet. Damit diese Entlastung bei zunehmenden Schwenkschlitten- Verstellwinkeln nicht größer wird und dadurch ein Spalt mit daraus resultierenden Leckverlusten entsteht, sind die Flüssigkeitszufuhr- und Flüssigkeitsabfuhrkanäle auf der der Zylindertrommel abgewandten Seite des Schwenk­ schlittens zunehmend enger gestaltet. Wegen des begrenzten Kanalquerschnittes tritt dann bei großen Verstellwinkeln eine hohe Strömungsgeschwindigkeit des Fluids auf, wodurch hydraulische Verluste entstehen.

Ferner erfolgt die Verstellung des Winkels zwischen der Zylindertrommelachse und der Kolbenführungsfläche, also die Einstellung des Kolbenhubes und damit der Leistung, über einen Stellkolben, der sich in einem Steuerkopf auf der Außenseite des Schwenkschlittenführungsgehäuses be­ findet. Der Stellkolben ist dabei mit dem Schwenkschlitten verbunden. Bei großen Verstellwinkeln ist ein entsprechend langer Hub des Stellkolbens erforderlich, was eine konstruk­ tiv größere Auslegung des Steuerkopfes erfordert und damit zu einer Erhöhung der Maschinenabmessungen führt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Maschine der eingangs genannten Art zu schaffen, die einen großen Verstellwinkel bei geringen Strömungsverlusten und damit eine erhöhte Leistung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst. daß am Schwenkschlitten mindestens ein Zusatzkolben ange­ ordnet ist, dessen Kolbenstange sich schwenkbar im Gehäuse abstützt.

Auf den Schwenkschlitten wird durch einen oder mehrere Zusatzkolben eine der hydrostatischen Entlastung ent­ gegenwirkende Kraft aufgebracht, so daß entsprechend groß dimensionierte Flüssigkeitszufuhr- und Flüssigkeitsabfuhr­ kanäle vorgesehen werden können. Die Strömungsgeschwindig­ keit des Fluids wird dann auch bei großem Kolbenhub nicht durch Kanalverengungen erhöht. Die hydraulischen Verluste werden somit klein gehalten.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der er­ findungsgemäßen Axialkolbenmaschine tauchen die Zusatzkolben jeweils in zylindrische Bohrungen in der vorzugsweise ebenen Fläche des Schwenkschlittens ein, die mit dem Flüssigkeits­ zufuhr- oder dem Flüssigkeitsabfuhrkanal in Verbindung stehen. Die zylindrische Bohrung zur Aufnahme des Zusatz­ kolbens, der sich auf derjenigen Seite des Schwenkschlittens abstützt, an der die Flüssigkeitszufuhr erfolgt, steht dabei mit dem Flüssigkeitszufuhrkanal in Verbindung. Die zylindrische Bohrung zur Aufnahme des Zusatzkolbens, der sich auf derjenigen Seite des Schwenkschlittens abstützt, an der die Flüssigkeitsabfuhr erfolgt, steht mit dem Flüssig­ keitsabfuhrkanal in Verbindung. Der Schwenkschlitten wird deshalb mit dem jeweils in dem entsprechenden Kanal herrschen­ den Fluiddruck beaufschlagt und gegen die Schwenkschlitten­ führung gedrückt, wodurch die in der Fuge zwischen Schwenk­ schlitten und Schwenkschlittenführung auftretenden Leckver­ luste auf ein Minimum reduziert werden.

Bei einer Weiterbildung des Gegenstandes der Erfindung sind hydraulisch beaufschlagbare Stellkolben zur Einleitung der Stellkraft an den Kolbenstangen der Abstützkolben ange­ lenkt. Die Anlenkung erfolgt etwa auf halber Länge der Kolbenstangen der Abstützkolben, wobei die Stellkolben jeweils in Ebenen angeordnet sind, die senkrecht zur Krümmungsachse des Schwenkschlittens bzw. der Schwenk­ schlittenführung angeordnet sind, und eine Schwenkbewegung des Schwenkschlittens entlang der konkaven Schwenkschlitten­ führung ermöglichen. Die gesamte Schwenkschlittenverstellein­ richtung, bestehend aus Zusatzkolben mit deren Kolbenstangen und Stellkolben mit deren Kolbenstangen, befindet sich damit innerhalb des Schwenkschlittengehäuses, wodurch die Maschine kompakt baut. Der Steuerkopf auf der Außenseite des Schwenkschlittengehäuses, der bei Maschinen des be­ kannten Standes der Technik erforderlich ist, entfällt.

Besonders günstig ist es, wenn jeweils zwei in Bezug auf die Kolbenstange eines Zusatzkolbens gegenüberliegende und gegenläufig wirkende Stellkolben vorhanden sind. Diese Stellkolben liegen auf der gleichen zur Krümmungsachse des Schwenkschlittens bzw. der Schwenkschlittenführung senkrechten Ebene. Dadurch wird gegenüber der Verwendung eines einzigen doppelt wirkenden Stellzylinders mit Stell­ kolben Platz gespart, denn die kleinen Stellkolbeneinheiten können vollständig innerhalb des Schwenkschlittengehäuses untergebracht werden.

Wenn die Enden der den Stellkolben gegenüberliegenden Seiten der Kolbenstangen der Stellkolben als Kugelköpfe ausge­ bildet sind, die in Kugelpfannen der Kolbenstangen der Zusatzkolben eingreifen, wird eine Schwenkbewegung der Stellkolben innerhalb ihrer Zylinder relativ zur Zylinder­ achse ermöglicht, so daß die Kolbenstangen und Kolben querkraftfrei sind, wodurch der Verschleiß von Kolben und innerer Zylinderwandung verringert wird.

Bei einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine sind die Zusatzkolben und deren Kolben­ stangen zur Fluiddurchführung hohl ausgebildet. Dadurch wird als weiterer Vorteil erreicht, daß in der Schwenk­ schlittenführungsfläche keinerlei Kanäle zum Zu- und Ableiten des Fluids benötigt werden. Dadurch kann das Ge­ häuse noch kompakter ausgeführt werden.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung haben jeweils zwei Zusatzkolben eine ihnen gemeinsame Kolbenstange. Dadurch wird der Schwenkschlitten an allen vier Ecken noch gleich­ mäßiger in die Schwenkschlittenführung gedrückt und damit die Leckverluste weiter verringert. Es ist selbstverständ­ lich auch möglich, die Zahl der zu einer gemeinsamen Kolben­ stange zugehörigen Zusatzkolben noch weiter zu erhöhen.

Anhand der in den Figuren schematisch dargestellten Aus­ führungsbeispiele soll die Erfindung näher erklärt werden. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt parallel zur Drehachse einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine,

Fig. 2 ein Schnittbild längs der Linie I-I gemäß Fig. 1,

Fig. 3 ein Schnittbild längs der Linie II-II gemäß Fig. 2,

Fig. 4 ein Schnittbild gemäß Fig. 2 einer anderen Aus­ führung,

Fig. 5 ein Schnittbild längs der Linie III-III gemäß Fig. 4,

Fig. 6 eine Variante der Kolbenstangen der Zusatzkolben,

Fig. 7 ein Schnittbild längs der Linie II-II gemäß Fig. 2 mit der Variante gemäß Fig. 6.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer verstellbaren Axialkolbenmaschine in Schrägachsenbauweise gemäß der Er­ findung. Innerhalb eines Maschinengehäuses 1 ist eine An- bzw. Abtriebswelle 2 bezüglich einer Drehachse D der Maschine drehbar gelagert. An einem Wellenende, welches sich innerhalb des Maschinengehäuses 1 befindet, ist senk­ recht zur Drehachse D der Maschine eine Kolbenführungs­ fläche 3 angeformt oder befestigt. In einer Ebene E der Kolbenführungsfläche sind Kolbenstangen 4 von innerhalb einer Zylindertrommel 5 befindlichen, hier nicht gezeigten Kolben gelagert, die in nicht gezeigten zylindrischen Bohrungen in der Zylindertrommel 5 längs verschiebbar sind. Die Zylindertrommel 5 ist um ihre Drehachse Z drehbar gelagert und auf einem Schwenkschlitten 6 befestigt. Der Schwenkschlitten 6 liegt mit seiner konvexen Stirnfläche 7 verdrehfest in einer konkaven Schwenkschlittenführungs­ fläche 8 eines an das Maschinengehäuse 1 angeflanschten Schwenkschlittengehäuses 9. Die Zylindertrommel 5 ist bezogen auf ihre Drehachse Z um einen Punkt S auf der Drehachse D der Maschine innerhalb der Ebene E schwenkbar. Der Punkt S ist definiert als Schnittpunkt der Drehachse D der Maschine und der Drehachse Z der Zylindertrommel. Der Winkel zwischen den beiden Achsen wird als Schwenkwinkel bezeichnet. Durch die Anderung des Schwenkwinkels wird die Hublänge der Kolben in der Zylindertrommel 5 verändert. In der gezeigten Stellung ist der maximale Schwenkwinkel erreicht, womit auch der Kolbenhub innerhalb der Zylinder­ trommel 5 am größten ist. Bei einer zwangsweise in gleicher Drehrichtung erfolgenden synchronen Drehbewegung von An­ bzw. Abtriebswelle 2 und Zylindertrommel 5 wird dabei der maximal mögliche Volumenstrom des Fluids innerhalb der Maschine erreicht und damit auch die maximale Leistung.

Bei einem Schwenkwinkel von 0° wird kein Fluid gefördert und damit auch keine Leistung übertragen. Wenn die Zylinder­ trommel 5 in einer anderen hier nicht gezeigten Maschinen­ ausführung über die Null-Position hinaus geschwenkt wird, ändert sich die Drehrichtung von Zylindertrommel oder An- bzw. Abtriebswelle, je nachdem von welcher Seite die Energiezufuhr, also die Drehbewegung erfolgt, das heißt, abhängig vom Betrieb der Maschine als Pumpe oder Motor. Die Verstellung der Zylindertrommel 5 gegenüber der Drehachse D der Maschine, das heißt die Einstellung des Schwenkwinkels, erfolgt über hydraulisch oder pneumatisch beaufschlagte Stellkolben 10 in Stellzylindern 11, die sich innerhalb des Maschinengehäuses 1 befinden, nämlich im Schwenkbereich des Schwenkschlittens 6, ohne jedoch die einstellbare Größe des Schwenkwinkels zu beeinträchti­ gen. Die Stellzylinder 11 sind einfachwirkend. Die Zurück­ setzung des Stellkolbens 10 eines Stellzylinders 11 wird von dem Stellkolben 10 eines jeweils gegenüberliegend ange­ ordneten Stellzylinders 11 ausgeführt. Die Stellkolben bzw. Stellzylinder wirken also in diesem Beispiel paarweise und gegenläufig. An den Stellkolben 10 sind starre Kolben­ stangen 12 befestigt. Die den Befestigungsstellen an den Stellkolben 10 gegenüberliegenden Enden der Kolben­ stangen 12 sind als Kugelköpfe 13 ausgebildet, die in Kugelpfannen 14 gelagert sind. Die Kugelpfannen 14 sind in einer zu einem Zusatzkolben 15 zugehörigen Kolben­ stange 16 eingearbeitet. Mindestens zwei der Zusatz­ kolben 15 werden jeweils von einer Bohrung 17 auf der der konvexen Stirnfläche 7 gegenüberliegenden hier im wesent­ lichen ebenen Seite 18 des Schwenkschlittens 6 aufgenommen. Die den Zusatzkolben 15 gegenüberliegenden Enden der zuge­ hörigen Kolbenstangen 16 sind über Kugelköpfe im Maschinen­ gehäuse 1 abgestützt. Es ist zweckmäßig, wenn die Mittel­ achsen der Kolbenstangen 16 der Zusatzkolben 15 mit der Drehachse Z der Zylindertrommel in einer gemeinsamen senkrecht zur Schwenkrichtung des Schwenkschlittens 6 liegenden Ebene angeordnet sind. Durch Ein- bzw. Ausfahren der gegenüberliegenden Stellkolben 10 kann der Schwenk­ schlitten 6, der mit seiner konvexen Stirnfläche 7 in der konkaven Schwenkschlittenführungsfläche 8 geführt wird, relativ zur Kolbenführungsfläche 3 mit Hilfe der Zusatz­ kolben 15 bzw. der daran befestigten Kolbenstangen 16 um den Punkt S geschwenkt werden. Durch die Ausbildung der Kolbenstangenanlenkung als Kugelkopfverbindung wird eine Schwenkbewegung der Stellkolben 10 innerhalb der Stell­ zylinder 11 ermöglicht, wobei die Stellkolben 10 eine ballige Form der Mantelfläche aufweisen müssen. Dadurch bleiben die Kolbenstangen 12 der Stellkolben 10 querkraft­ frei, was zur Folge hat, daß der Verschleiß zwischen Stell­ kolben 10 und Stellzylinder 11 auf ein Minimum verringert wird. Die Verwendung der kleinen aus Stellkolben 10 und Stellzylinder 11 bestehenden Stelleinheiten ermöglicht kompakte Baueinheiten mit großen Schwenkwinkeln.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch den Schwenkschlitten 6 und zusammen mit Fig. 3 den Verlauf der Flüssigkeitszufuhr­ bzw. Flüssigkeitsabfuhrkanäle. Die zylindrischen Bohrungen 17 der Zusatzkolben 15 stehen mit den Flüssig­ keitszufuhr- bzw. Flüssigkeitsabfuhrkanälen 20 über Kanäle 19 in Verbindung. Auf diese Weise wirkt der jeweils dort vorhandene Druck auf die Zusatzkolben 15 mit der Folge, daß der Schwenkschlitten 6 innerhalb seiner Führung gegen das Schwenkschlittengehäuse 9 gedrücktwird, wodurch eine Kraft der hydrostatischen Entlastung entgegenwirkt. Es ist deshalb nicht notwendig, die Flüssigkeitszufuhr- und Flüssigkeitsabfuhrkanäle 20 mit zunehmendem Schwenkwinkel­ bereich enger zu gestalten, um die hydrostatische Ent­ lastung zu verringern. Dadurch treten keine zusätzlichen Strömungsverluste auf, wodurch die Leistung einer solcher Art gestalteten Maschine gegenüber den Maschinen des bekannten Standes der Technik gesteigert wird. Der durch die Zusatzkolben erzeugte zusätzliche Anpreßdruck steigt und fällt dabei mit steigendem und fallendem Fluiddruck innerhalb der Kanäle, passt sich also selbsttätig den Druck­ verhältnissen an.

Durch die Anordnung der Stelleinheiten zur Verstellung des Schwenkschlittens 6 innerhalb des Maschinengehäuses 1 können die Flüssigkeitszufuhr- bzw. Flüssigkeitsabfuhrka­ näle 20 im Schwenkschlitten 6 und deren Fortsetzungen 21 im Schwenkschlittengehäuse 9 größer dimensioniert werden, weil wegen des fehlenden sonst üblichen großen Stellzylinders im an das Maschinengehäuse 1 angeflanschten Schwenkschlitten­ gehäuse 9 mehr Platz zwischen den Kanälen vorhanden ist.

Eine erfindungsgemäße Ausgestaltung wird in Fig. 4 und der zugehörigen Fig. 5 gezeigt. Die Kolbenstangen 16 der Zusatzkolben 15 können einschließlich der Kugelköpfe und Zusatzkolben 15 hohl ausgeführt werden, so daß die Flüssig­ keitszufuhr bzw. Flüssigkeitsabfuhr nicht durch Kanäle des Schwenkschlittengehäuses 9 erfolgt, sondern durch die genannten Bauteile und die Kanäle 19, die die zylindrischen Bohrungen 17 mit den Steuerschlitzen 22 verbinden. Die Wandung des Schwenkschlittengehäuses 9 kann daher dünner gehalten werden, wodurch die Maschine noch kompakter baut.

Eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung zeigen Fig. 6 und Fig. 7. Die Kolbenstange 16 hat an ihrem dem Kugelkopf gegenüberliegenden Ende zwei Schenkel 16 a und 16 b an deren Enden jeweils ein Zusatzkolben 15 a und 15 b angeordnet ist. Die Zusatzkolben liegen in einer Ebene, die senkrecht auf der von den beiden Pleuelstangen 16 und der Drehachse Z der Zylindertrommel 5 gebildeten Ebene steht. Die einer Pleuelstange 16 zugehörigen zylindrischen Bohrungen 17 a und 17 b auf dem Schwenkschlitten 6 befinden sich demnach in den Ecken der im wesentlichen ebenen Seite 18 des Schwenkschlittens 6. Im gezeigten Beispiel wird der Schwenk­ schlitten 6 also gleichmäßig an seinen vier Ecken in das Schwenkschlittengehäuse 9 gedrückt, obwohl zur Schwenk­ winkeleinstellung weiterhin nur zwei Kolbenstangen 16 nötig sind.

Claims (7)

1. Verstellbare Axialkolbenmaschine in Schrägachsenbauweise mit einer Zylindertrommel, die auf einem Schwenkschlitten mit zwei nierenförmigen Kanälen, von denen der eine mit einem Flüssigkeitszufuhrkanal und der andere mit einem Flüssigkeitsabfuhrkanal in Verbindung steht, drehbar gelagert ist und sich an einer Kolbenführungsfläche in einem anderen Bauteil über Kolbenstangen abstützt, wobei die Zylindertrommel und das die Kolbenführungs­ fläche tragende Bauteil in gleicher Drehrichtung beweg­ bar und dadurch Kolben in zylindrischen Bohrungen ver­ schiebbar sind, wobei die Zylindertrommel mit ihren Ver­ bindungsöffnungen zu den zylindrischen Bohrungen auf­ weisenden Stirnfläche an dem Schwenkschlitten drehbar anliegt, wobei der Schwenkschlitten mit seiner der Zylindertrommel abgewandten Seite in einer konkaven Gehäuseführung anliegt, wobei die gemeinsame Krümmungs­ achse von konvexer und konkaver Fläche die Drehachse der Maschine in der Kolbenführungsfläche schneidet, wobei weiter Stellkolben zur Verstellung des Winkels zwischen der Zylindertrommelachse und der Kolbenführungs­ fläche zur Veränderung des Kolbenhubs vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß am Schwenkschlitten (6) mindestens ein Zusatzkolben (15) angeordnet ist, dessen Kolbenstange sich schwenkbar im Gehäuse abstützt.

2. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die zylindrische Bohrung (17) des Zusatz­ kolbens (15) mit dem Flüssigkeitszufuhr- oder dem Flüssigkeitsabfuhrkanal (21) in Verbindung steht.

3. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß mindestens ein hydraulisch beaufschlagbarer Stellkolben (10) zur Einleitung der Stellkraft an der Kolbenstange (16) des Zusatzkolbens (15) angelenkt ist.

4. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß jeweils zwei in Bezug auf die Kolbenstange (16) eines Zusatzkolbens (15) gegenüberliegende und gegenläufig wirkende Stellkolben (10) vorhanden sind.

5. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Enden der den Stellkolben (10) gegenüber­ liegenden Seiten der Kolbenstangen (12) der Stell­ kolben (10) als Kugelköpfe (13) ausgebildet sind, die in eine Kugelpfanne (14) der Kolbenstange (16) des Zusatzkolbens (15) eingreifen.

6. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzkolben (15) und dessen Kolbenstange (16) zur Fluiddurchführung hohl ausgebildet sind.

7. Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Zusatz­ kolben (15 a, 15 b) eine ihnen gemeinsame Kolbenstange (16) haben.