DE4224736A1 - Hydraulikmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hydraulikmaschine, eine Pumpe oder einen Motor, mit wenigstens einem Rotor und einer den Rotor zumindest bereichsweise durch­ dringenden und mit diesem drehfest verbundenen Welle.

Im Betrieb einer Hydraulikmaschine müssen einer­ seits hohe Drehmomente von einer Welle auf einen Rotor oder umgekehrt übertragen, andererseits hohe in axialer Richtung der Welle wirkende Kräfte abge­ fangen werden. Dabei bedarf insbesondere die Auf­ nahme axialer Kräfte eines hohen konstruktiven Auf­ wandes, wodurch die Pumpe relativ groß baut. Über­ dies sind derartige Lagerungen nur mit relativ ho­ hen Kosten realisierbar.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Hydraulik­ maschine der gattungsgemäßen Art zu schaffen, bei der diese Nachteile nicht gegeben sind.

Diese Aufgabe wird bei einer Hydraulikmaschine der eingangs genannten Art mit Hilfe der in Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Die drehfeste Verbindung zwischen Rotor und Welle wird besonders einfach und preisgünstig realisiert, indem eine Kugel im Grenzbereich zwischen Rotor und Welle angeordnet ist, die einen Formschluß zwischen beiden Teilen bewirkt. Die Kugel kann dabei einer­ seits der Übertragung von Drehmomenten dienen und andererseits eine axiale Verlagerung der Welle ge­ genüber dem Rotor verhindern. Auf preisgünstige Weise werden also Drehmomente und axiale Kräfte si­ cher abgefangen.

Bevorzugt wird eine Ausführungsform der Hydraulik­ maschine, die sich dadurch auszeichnet, daß die Welle im Bereich des Rotors eine Längsbohrung auf­ weist, in die eine Querbohrung mündet. Die Bohrun­ gen dienen der Aufnahme der Kugel. Das heißt, die Verbindung zwischen Rotor und Welle ist einfach re­ alisierbar.

Weiterhin wird eine Ausführungsform der Hydraulik­ maschine bevorzugt, bei welcher ein Lagerkörper in­ nerhalb der Längsbohrung in die gewünschte Position verschiebbar und dort gegen weitere Verlagerung sicherbar ist. Die endgültige Verbindung von Rotor und Welle kann unabhängig von der Anordnung des Ro­ tor auf der Welle einfach hergestellt werden.

Bevorzugt wird überdies eine Ausführungsform der Hydraulikmaschine, bei welcher der Lagerkörper meh­ rere Bereiche aufweist, die mit Kugeln zusammenwir­ ken. Dabei sind diese Bereiche in axialer Richtung mit einem Abstand zueinander angeordnet, so daß auf ein und derselben Welle mehrere Rotoren in einem Abstand angeordnet werden können. Dies ist bei­ spielsweise bei der Herstellung von Tandempumpen oder mehrstufigen Pumpen besonders vorteilhaft.

Weitere Ausgestaltungen der Hydraulikmaschine erge­ ben sich aus den übrigen Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeich­ nung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Hydrau­ likmaschine, die einen auf einer Welle befestigten Rotor aufweist;

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Hy­ draulikmaschine, die zwei in einem Ab­ stand auf einer Welle angeordnete Rotoren aufweist, die eine separate Verbindung zwischen Welle und Rotor aufweisen, und

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Hydraulikmaschine mit zwei auf einer Wel­ le mittels eines gemeinsamen Lagerkörpers befestigten Rotoren.

Das erste Ausführungsbeispiel einer Hydraulikma­ schine 1 in Fig. 1 weist einen Rotor 3 auf, der auf einer Welle 5 drehfest und gegen axiale Verla­ gerung gesichert befestigt ist.

Für die folgende Beschreibung bedarf es keiner Un­ terscheidung, ob es sich bei der Hydraulikmaschine um eine Pumpe oder um einen Motor handelt. Auch ist es belanglos, ob es sich bei dem Rotor um den Rotor einer Flügelzellenpumpe, einer Rotationskolben- oder Taumelscheibenpumpe handelt. Bei der hier ge­ wählten Darstellung wird daher auf spezielle Ausge­ staltungen sowohl des Rotors als auch der Welle verzichtet.

Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Rotor 3 unmittelbar im Endbereich 7 der Welle 5 angeordnet. In die Stirnseite 9 der Welle 5 ist eine Längsbohrung 11 eingebracht, deren Mittelachse zusammenfällt mit der Längs- beziehungsweise Drehachse 13 der Welle 5 beziehungsweise des Rotor 3. Die Längsbohrung wird von einer senkrecht zur Drehachse 13 verlaufenden Querbohrung 15 geschnit­ ten, die entlang einer Durchmesserlinie der Welle 5 verläuft. Die Tiefe beziehungsweise axiale Längs­ ausdehnung der Längsbohrung 11 ist hier beispiel­ haft so gewählt, daß sie die Querbohrung nicht vollständig durchdringt.

Im Grenzbereich 17 zwischen Rotor 3 und Welle 5 sind hier zwei Kugeln 19 vorgesehen, die die Um­ fangsfläche 21 der Welle 5 überragen und in eine Ausnehmung 23 vorspringen, die in die Innenfläche 25 des Rotors 3 eingebracht ist.

Der Außendurchmesser der Kugeln 19 ist so gewählt, daß diese sowohl durch die Längsbohrung 11 als auch durch die Querbohrung 15 hindurchtreten können. Aus den weiteren Erläuterungen wird sich noch ergeben, daß die Anzahl der Kugeln 19 frei wählbar ist. Es kann also eine Kugel im Grenzbereich 17 angeordnet werden. Es ist auch möglich, wie hier dargestellt, zwei einander gegenüberliegend angeordnete Kugeln vorzusehen. Je nach Größe der Welle und des Rotors können auch mehr Kugeln vorgesehen werden. Es ist dabei zu bedenken, daß für jede Kugel eine senk­ recht zur Längs- beziehungsweise Drehachse 13 ver­ laufende Querbohrung vorgesehen werden muß, so daß letztlich eine Schwächung des Endbereichs 7 der Welle 5 herbeigeführt werden könnte.

In die Längsbohrung 11 ist ein Lagerkörper 27 ein­ gebracht, der - in Längsrichtung gesehen - mehrere Bereiche aufweist: An dem rechten, der Stirnseite 9 der Welle 5 zugewandten Ende des Lagerkörpers ist ein Befestigungsbereich 29 vorgesehen, dessen Außendurchmesser im wesentlichen dem Innendurchmes­ ser der Längsbohrung 11 entspricht. Im Bereich der Kugeln 19 ist ein Anlagebereich 31 vorgesehen, des­ sen Außendurchmesser vorzugsweise kleiner ist als der der Längsbohrung 11, um ein leichteres Einfüh­ ren des Lagerkörpers 27 in die Längsbohrung 11 zu ermöglichen. Der Außendurchmesser des Anlagebe­ reichs 31 ist im übrigen so gewählt, daß die Kugeln 19 über die Umfangsfläche 21 der Welle 5 herausge­ drückt und in die Ausnehmung 23 im Rotor 3 hinein­ verlagert werden. Die Länge des Lagerkörpers 27 ist hier so gewählt, daß dessen rückwärtige Endfläche 33 im wesentlichen plan mit der Stirnseite 9 der Welle 5 abschließt.

Der Rotor 3 kann auf seiner Innenfläche 25 - wie in Fig. 1 gestrichelt dargestellt - mit Nuten 35 ver­ sehen, deren Endbereich die Ausnehmung 23 für die Kugeln 19 bilden. Die Nuten laufen also in einen kreisbogenförmig ausgebildeten Endbereich aus, an dem die Kugeln 19 anliegen. Auch der Querschnitt der Nuten ist vorzugsweise kreisbogenförmig ausge­ bildet.

Im übrigen ist noch festzuhalten, daß das hier als Rotor 3 bezeichnete unmittelbar auf der Welle 5 aufsitzende Teil auch die Nabe eines Rotors sein kann, die drehfest und gegen axiale Verlagerung ge­ sichert mit diesem verbunden ist.

Je nach Ausgestaltung der Hydraulikmaschine 1 ist die Welle 5 mit einem Antrieb verbunden, sofern es sich hier um eine Pumpe handelt, oder mit einem Ab­ trieb gekoppelt, sofern hier ein Motor realisiert sein soll.

Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der Hydraulikmaschine 10 unterscheidet sich von dem in Fig. 1 dargestellten lediglich dadurch, daß auf einer Welle 5 zwei Rotoren 3 beziehungsweise Naben von Rotoren befestigt sind. Gleiche Teile sind hier mit gleichen Bezugsziffern versehen, so daß auf die Beschreibung zu Fig. 1 verwiesen werden kann.

Die in die Stirnseite 9 der Welle 5 eingebrachte Längsbohrung 11 ist hier so lang ausgebildet, daß sie den rechten Rotor vollständig durchdringt und bis in den Bereich des linken Rotors reicht, wo sie von einer Querbohrung 15 geschnitten wird. Auch im Bereich des rechten Rotors ist eine Querbohrung vorgesehen. Beide Querbohrungen 15 dienen der Auf­ nahme von Kugeln 19, die im Grenzbereich 17 zwi­ schen den Rotoren 3 und der Welle 5 angeordnet sind und sowohl der Übertragung von Drehmomenten als auch der Sicherung der Rotoren gegen eine Verlage­ rung in Richtung der Längs- beziehungsweise Drehachse 13 der Welle 5 dienen.

Zur axialen Sicherung der Rotoren gegen eine Verla­ gerung auf der Welle ist festzuhalten, daß die Aus­ nehmungen 23 so dimensioniert sind, daß sie - in axialer Richtung gesehen - die Kugel 19 praktisch spiel frei umschließen. Es ist somit keine axiale Verlagerung der Rotoren möglich, da die Kugeln an den Wandungen der Ausnehmungen anschlagen. Sofern zur Herstellung der Ausnehmungen 23 eine Nut 35 vorgesehen ist, werden die Nuten von der rechten und linken Seite des Rotors eingebracht, wobei sich die rechts und links erstreckenden Nuten einander gegenüberliegen. Gemäß der Darstellung in den Fi­ guren ist auf diese Weise sichergestellt, daß der Endbereich der oberen Nut eine Verlagerung des Ro­ tors nach rechts und der Endbereich der unteren Nut eine Verlagerung des Rotors nach links verhindert. Die beiden einander gegenüberliegenden Ausnehmungen ergänzen einander also auf diese Weise.

Die Kugeln 19 werden an Lagerkörpern 27 in der ge­ wünschten Position gehalten. Die Lagerkörper sind wiederum durch ihre Befestigungsbereiche 29 im In­ neren der Längsbohrung 11 gegen eine axiale Verla­ gerung in Richtung der Drehachse 13 gesichert. Die Anlagebereiche 31 weisen auch hier einen Außen­ durchmesser auf, durch den die Kugeln 19 in ihrer gewünschten Position gehalten werden.

Bei der Befestigung des linken Rotors 3 wird dieser zunächst in die gewünschte Stellung gebracht. Dann werden die Kugeln 19 durch die Längsbohrung bis zur zugehörigen Querbohrung 15 befördert. Dann wird der Lagerkörper 27 eingeführt, der die beiden Kugeln in ihre gewünschte Position auseinanderdrückt, so daß der Rotor 3 auf der Welle 5 festgehalten wird.

Nach der Befestigung des linken Rotors 3 wird der rechte Rotor 3 über die Welle 5 geschoben, bis er sich in der gewünschten Position befindet. Dann werden wiederum die beiden Kugeln 19 durch die Längsbohrung 11 eingeführt, bis sie sich in der Querbohrung 15 befinden. Durch die Einbringung des Lagerkörpers 27 werden die Kugeln dann in radialer Richtung nach außen verlagert, so daß sie den Grenzbereich 17 übergreifen und in die Ausnehmung 23 in dem Rotor 3 eingreifen. Um eine radiale Ver­ lagerung der Kugeln 19 zu erleichtern, kann der La­ gerkörper auf seiner der Endfläche 33 gegenüberlie­ genden Stirnseite 37 mit einem konischen oder kuge­ lig ausgebildeten Bereich versehen sein, der beim Einführen des Lagerkörpers 27 in die Längsbohrung 11 zunächst mit den Kugeln in Berührung tritt und diese seitlich, das heißt radial nach außen, ver­ lagert.

Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel der Hydraulikmaschine 10 unterscheidet sich von den in Fig. 2 gezeigten lediglich dadurch, daß der Lager­ körper 27 so lang ausgebildet ist, daß er die Längsbohrung 11 auf ihrer gesamten Länge durch­ dringt. Er ist hier mit zwei Anlagebereichen 31 versehen, die - in axialer Richtung gesehen - in ei­ nem solchen Abstand angeordnet sind, daß sie gleichzeitig mit den Kugeln 19 in Eingriff stehen, die sowohl der Befestigung des rechten als auch des linken Rotors 3 dienen. Die Anzahl der Befesti­ gungsbereiche 29 an dem Lagerkörper 27 kann an die Gegebenheiten der jeweiligen Hydraulikmaschine an­ gepaßt werden. Es ist also möglich, auch einen lan­ gen Lagerkörper mit einem einzigen Befestigungsbe­ reich 29 in axialer Richtung festzulegen, das heißt, gegen eine Verlagerung in Richtung der Längs- beziehungsweise Drehachse 13 zu sichern.

Im übrigen wird ausdrücklich festgehalten, daß gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen sind, so daß auf die Beschreibung von den Fig. 1 und 2 verwiesen werden kann.

Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß die Hydrau­ likmaschine 10 auch mehr als zwei Rotoren 3 auf­ weisen kann, die jeweils über Kugeln 19 mittels ei­ nes Lagerkörpers 27 auf der Welle 5 befestigt sind. Der Abstand der Rotoren auf der Welle 5 ist prak­ tisch frei wählbar. Wenn zur Verlagerung der Kugeln mehrerer Rotoren ein einziger langgestreckter La­ gerkörper 27 verwendet wird, so bedarf es der Ab­ stimmung des axialen Abstands der Anlagebereiche 31 des Lagerkörpers 27, um die jeweiligen Kugeln 19 in die gewünschte Position zu bringen.

Vorzugsweise wird der Außendurchmesser des Anlage­ bereichs 31 so gewählt, daß der Äquator der Kugeln 19, also der Bereich größten Durchmessers, etwa im Grenzbereich 17 zwischen Rotor 3 und Welle 5 ange­ ordnet ist. Auf diese Weise lassen sich die auf den Rotor 3 in radialer Richtung nach außen wirkenden Sprengkräfte auf ein Minimum reduzieren.

Bei den hier dargestellten Ausführungsbeispielen sind die Kugeln 19 etwa in der Mittelebene des je­ weiligen Rotors 3 angeordnet. Es ist selbstver­ ständlich auch möglich, die Kugeln aus dem Mittel­ bereich der Rotoren zu verlagern oder auch - insbe­ sondere bei Rotoren mit einer größeren Ausdehnung in Richtung der Längs- beziehungsweise Drehachse 13 - zwei oder auch mehr nebeneinanderliegende Ku­ geln bei jedem Rotor vorzusehen.

Die Sicherung der Lagerkörper 27 innerhalb der Längsbohrung 11 kann ebenfalls auf beliebige Weise erfolgen. Es ist beispielsweise auch denkbar, daß die Lagerkörper auf ihrer Außenseite mit einem Außengewinde versehen sind, welches mit einem auf der Innenseite der Längsbohrung vorgesehenen Innen­ gewinde kämmt. Vorzugsweise ist allerdings vorgese­ hen, daß die Lagerkörper 27 in die Längsbohrung 11 eingepreßt werden und so gegen eine Längsverschie­ bung gesichert sind. Die Passung zwischen Lagerkör­ per und Längsbohrung kann auf die jeweiligen Bela­ stungen der Hydraulikmaschine abgestimmt werden.

Um eine Winkelverschiebung der Rotoren 3 gegenüber der Welle 5 beziehungsweise ein gewisses Spiel der Rotoren 3 gegenüber der Welle 5 im Betrieb der Hydraulikmaschine 1 beziehungsweise 10 ausgleichen zu können, können die Querbohrungen 15 auch oval ausgebildet werden, wobei deren längerer Durchmes­ ser in Richtung der Längs- beziehungsweise Drehachse 13 der Welle 5 beziehungsweise der Roto­ ren 3 verläuft. Wenn also eine rechtwinklige Aus­ richtung zwischen Rotor und Welle nicht gewährlei­ stet ist, führen die Rotoren im Betrieb der Hydrau­ likmaschine quasi eine Kippbewegung durch, dabei bewegen sich die Kugeln während der Drehung der Welle 5 auf einer Kreisbahn, die von einer Füh­ rungsbahn vorgegeben wird. Die Verbindung zwischen Rotor und Welle zeigt also eine gewisse Gelenkig­ keit. Dabei wird die sichere Übertragung von Dreh­ momenten zwischen Welle 5 und Rotoren 3 in keiner Weise beeinträchtigt. Auch ist sichergestellt, daß in axialer Richtung wirkende Kräfte sicher abgefan­ gen werden.

Es ergibt sich aber bei einer derartigen nicht rechtwinkligen Ausrichtung von Rotor und Welle eine definierte Führung zwischen den beiden hier verbun­ denen Teilen.

Es wurde oben schon ausgeführt, daß für die Über­ tragung von Drehmoment und für das Abfangen axialer Kräfte auch eine Kugel ausreicht. Eine derartige Ausgestaltung ist insbesondere bei kleinen Durch­ messern der Welle 5 vorzuziehen, damit eine Schwächung des Endbereichs 7 durch die Längsbohrung 11 und die Querbohrung 15 auf ein Minimum reduziert bleibt. Bei größeren Durchmessern ist es sehr wohl möglich, auch mehr als zwei Kugeln in entsprechen­ den Querbohrungen unterzubringen.

Die Rotoren 5 beziehungsweise die für diese vorge­ sehenen Naben können auch in einem Sintervorgang hergestellt werden, wobei dann die Nuten 35 vorzu­ sehen sind, damit entsprechende Formkörper ohne weiteres in das Innere der Rotoren beziehungsweise der Naben während deren Herstellung einbringbar sind. Die in den Ausnehmungen 23 mündenden Nuten 35 entspringen von den einander gegenüberliegenden Seiten eines Rotors.

Als Kugel 19 können gängige Wälzlagerkugeln verwen­ det werden, die in der Regel aus einem sehr harten Material bestehen.

Im übrigen wird noch darauf verwiesen, daß in jeder Querbohrung auch an Stelle jeweils einer größeren Kugel zwei oder mehrere kleinere Kugeln vorgesehen werden können.

Der Durchmesser der Querbohrung 15 ist so auf den Durchmesser der Kugeln 19 abzustimmen, daß die Ro­ toren 3 in Drehrichtung gesehen praktisch spielfrei auf der Welle 5 angeordnet sind. Dagegen kann der Durchmesser der Querbohrung 15, wie oben darge­ stellt, in Richtung der Längs- beziehungsweise Drehachse 13 gesehen, größer sein als der Durchmes­ ser der Kugeln 19, um eine Fehlausrichtung, zwi­ schen Rotor und Welle auszugleichen.

Schließlich ist noch festzuhalten, daß das unmit­ telbar auf der Welle 5 sitzende Teil, das anhand der Beschreibung der Fig. 1 bis 3 als Rotor 3 bezeichnet wurde, auch als Hülse ausgebildet sein kann, die drehfest in das Innere eines bestehenden Rotors eingebracht wird, beispielsweise nachdem dessen Innenbohrung ausgedreht wurde. Diese Hülse ist dann mit entsprechenden Ausnehmungen 23 für die Kugeln 19 versehen. Das heißt also, bestehende Hydraulikmaschinen können mit Hilfe einer derarti­ gen Hülse nachgerüstet werden, so daß dann die Be­ festigung zwischen Rotor und Welle, wie hier be­ schrieben, auch dort realisierbar ist.

Claims (12)

1. Hydraulikmaschine (Pumpe oder Motor) mit wenig­ stens einem Rotor und einer den Rotor zumindest be­ reichsweise durchdringenden und mit diesem drehfest verbundenen Welle, gekennzeichnet durch mindestens eine im Grenzbereich (17) zwischen Rotor (3) und Welle (5) angeordnete, einen Formschluß zwischen Rotor (3) und Welle (5) erzeugende Kugel (19).

2. Hydraulikmaschine nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Welle (5) im Bereich des Ro­ tors (3) eine Längsbohrung (11) und eine in diese mündende Querbohrung (15) aufweist, die der Auf­ nahme der Kugel (19) dienen.

3. Hydraulikmaschine nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Querbohrung (15) einen kreisförmigen oder einen ovalen Querschnitt aufweist, wobei im letzteren Fall der längere Durchmesser der Querbohrung in Richtung der Längs- beziehungsweise Drehachse der Welle (5) verläuft.

4. Hydraulikmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (3) in der die Welle (5) umgebenden Innenfläche (25) eine die Kugel (19) bereichsweise aufnehmende Ausnehmung (23) aufweist.

5. Hydraulikmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lager­ körper (27) vorgesehen ist, der die Kugel (19) aus der Längsbohrung (11) in die Querbohrung (15) so verlagert, daß diese über die Umfangsfläche (21) der Welle (5) hinausragt und in die Ausnehmung (23) im Rotor (3) eingreift.

6. Hydraulikmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Rotor (3) zwei oder mehr nebeneinander oder einander ge­ genüberliegende Kugeln (19) zuordenbar sind.

7. Hydraulikmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lager­ körper (27) innerhalb der Längsbohrung (11) in die gewünschte Position verschiebbar und dort gegen eine weitere axiale Verlagerung sicherbar ist.

8. Hydraulikmaschine nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Lagerkörper (27) durch Form­ schluß gegen eine Verlagerung in Richtung der Längsbohrung (11) sicherbar ist.

9. Hydraulikmaschine nach Anspruch 7 oder 8, da­ durch gekennzeichnet, daß der Lagerkörper (27) in die Längsbohrung (11) einpreß- oder einschraubbar ist.

10. Hydraulikmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lager­ körper (27) mehrere in axialer Richtung beabstan­ dete Anlagebereiche (31) aufweist, die mit jeweils mindestens einer Kugel (19) zusammenwirken.

11. Hydraulikmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Außen­ durchmesser des Anlagebereichs (31) des Lagerkör­ pers (27) so gewählt ist, daß die Kugel (19) die Außenfläche (21) der Welle (5) etwa mit ihrem hal­ ben Durchmesser überragt.

12. Hydraulikmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die die Welle (5) aufnehmende Durchbrechung des Rotors (3) eine Hülse drehfest einbringbar ist, in deren eine die Welle umgebenden Innenfläche der Aufnahme der Kugel (19) dienende Ausnehmung eingebracht ist.