DE4301134A1 - Hydraulische Axialkolbenmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Axialkolbenma­ schine mit einer Zylindertrommel, die mindestens einen Zylinder aufweist, in dem ein Kolben axial verschiebbar gelagert ist, und einem Steuerspiegel, der bei einer Drehung von Zylindertrommel und Steuerspiegel relativ zueinander den Zylinder positionsabhängig mit einem Flüssigkeitszufluß und einem Flüssigkeitsabfluß verbin­ det.

Der Steuerspiegel weist normalerweise bogen- oder nie­ renförmige Steuerschlitze auf, von denen einer, der in einem Bereich angeordnet ist, in dem sich der Kolben von dem Steuerspiegel wegbewegt, mit dem Flüssigkeits­ zufluß verbunden ist, während der andere, der in einem anderen Bereich angeordnet ist, in dem sich der Kolben auf den Steuerspiegel zu bewegt, mit dem Flüssigkeits­ abfluß verbunden ist. Um zu verhindern, daß die aus dem bzw. in den Zylinder fließenden Flüssigkeit seitlich austritt, d. h. um sicherzustellen, daß die Flüssigkeit nur vom Zylinder zum Flüssigkeitsabfluß bzw. vom Flüs­ sigkeitszufluß zum Zylinder fließt, ist die Zylinder­ trommel mit einer gewissen Kraft gegen Steuerspiegel gepreßt. Diese Kraft wird durch den im Zylinder herr­ schenden Druck erzeugt, der auf einen Teil der Zylin­ derstirnfläche wirkt, gegebenenfalls unterstützt von einer Druckfeder, die die Zylindertrommel zusätzlich gegen Steuerspiegel preßt. Die Steuerschlitze sind nur teilweise von den stirnseitigen Öffnungen des Zylinders abgedeckt. Es verbleiben Bereiche, in denen die Schlit­ ze von der Stirnseite der Zylindertrommel abgedeckt ist und zwar im Bereich zwischen den stirnseitigen Zylin­ deröffnungen. In diesen Bereichen wirkt der in den Zy­ lindern herrschende Druck in Gegenrichtung, d. h. in eine Richtung, um die Zylindertrommel vom Steuerspiegel abzuheben. Man versucht nun, die auf die Zylindertrom­ mel von den beiden entgegengesetzten Richtungen her wirkende Kräfte so auszubalancieren, daß die Zylinder­ trommel mit der gewünschten Kraft an den Steuerspiegel angepreßt wird. Die vom Druck in den Steuerschlitzen erzeugte Kraft auf die Zylindertrommel muß daher klei­ ner sein als die in Gegenrichtung wirkende Kraft. Dies kann man beispielsweise durch geeignete Dimensionierung der jeweiligen Druckangriffsflächen erreichen.

In der Praxis ist es aber relativ schwierig, daß rich­ tige Kräftegleichgewicht auch tatsächlich zu erhalten, weil unter anderem Reibungskräfte zwischen Kolben und Zylinder wirken, die zusätzliche Zug- oder Druckkräfte, jeweils gesehen in Richtung von der Zylindertrommel auf den Steuerspiegel hin, auf die Zylindertrommel ausüben. Diese Kräfte sind nur schwer beherrschbar. Sie sind teilweise temperaturabhängig und sie überlagern vor allem die Kräfte, die durch den Druck der Hydraulik­ flüssigkeit auf die Zylindertrommel ausgeübt werden. Hierbei können Instabilitäten entstehen, die einerseits zu einer vermehrten Anpreßkraft zwischen Zylindertrom­ mel und Steuerspiegel führen, was zu einer Verminderung des mechanischen Wirkungsgrades führt, andererseits aber auch die Zylindertrommel vom Steuerspiegel abhe­ ben, was zu einer Verminderung des volumetrischen Wir­ kungsgrades führt. Beide Fälle sind nicht erwünscht. Treten derartige Betriebszustände wiederholt hinterein­ ander auf, können sie zu einem vermehrten Verschleiß oder sogar zur Zerstörung der Maschine führen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Kräfte auf den Steuerspiegel auf einfache Weise besser auszubalancieren.

Diese Aufgabe wird bei einer hydraulischen Axialkolben­ maschine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß zwischen der Zylindertrommel und dem Steuerspiegel eine Druckplatte angeordnet ist, die über ein Federelement an der Zylindertrommel abgestützt ist, wobei die Druck­ platte eine dem Zylinder zugeordnete Durchgangsöffnung aufweist, die flüssigkeitsdicht mit dem Zylinder ver­ bunden ist.

Es wird also lediglich ein einziges zusätzliches Ele­ ment über eine Feder mit der Zylindertrommel verbunden. Die Feder trennt die Zylindertrommel und die Druckplat­ te. Hierdurch wird erreicht, daß parasitäre Kräfte, die beispielsweise von der Reibung des Kolbens im Zylinder stammen, nicht mehr direkt auf den Steuerspiegel über­ tragen werden, sondern von der Feder bzw. von Lagern aufgenommen werden. Die Kräfte, die nun noch ausbalan­ ciert werden müssen, werden ausschließlich vom Druck der Feder und dem hydraulischen Druck im Zylinder her­ vorgerufen. Diese Kräfte können jedoch relativ genau bestimmt werden, so daß ein Gleichgewichtszustand im vorhinein berechnet und eingestellt werden kann.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Federele­ ment durch eine einzelne Feder gebildet, die in der radialen Mitte der Zylindertrommel angeordnet ist. Die Feder bildet damit auch ein Kippgelenk, so daß leichte Kippbewegungen der Zylindertrommel, die durch eine un­ gleichmäßige Druckverteilung hervorgerufen werden kön­ nen, nicht auf die Druckplatte übertragen werden kön­ nen.

Bevorzugterweise ist zur Verbindung von Zylinder und Durchgangsöffnung eine Steckbuchse vorgesehen, die im Zylinder und/oder in der Durchgangsöffnung axial ver­ schiebbar ist. Mit einer derartigen Steckbuchse läßt sich auf einfache Weise eine flüssigkeitsdichte Verbin­ dung sicherstellen, auch wenn kleinere Bewegungen zwi­ schen der Zylindertrommel und der Druckplatte zugelas­ sen werden müssen. Die Steckbuchse muß dann natürlich in dem Teil, in dem sie sich bewegt, abgedichtet ge­ führt sein. Dies läßt sich jedoch durch relativ einfach ausgebildete Ringdichtungen erreichen.

Bevorzugterweise ist die Steckbuchse hierbei entweder in der Zylindertrommel oder in der Druckplatte be­ festigt. Zumindest im Zusammenhang mit einem dieser beiden Teile ist die Lage der Steckbuchse definiert. Man verhindert hierdurch, daß die Steckbuchse wandert. Die Steckbuchse kann beispielsweise mit dem entspre­ chenden Teil zusammengelötet oder -gesintert sein. Sie kann durch einen Preßsitz in dem Teil befestigt sein. Andere Verbindungen, die eine definierte Lage der Steckbuchse in dem jeweiligen Teil bewirken, sind eben­ falls möglich.

Bevorzugterweise ist die Steckbuchse aber einstückig mit der Druckplatte ausgebildet. Dies vereinfacht die Fertigung.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Zylinder mit einer Laufbuchse ausgebildet, wobei die Steckbuchse in das Innere der Laufbuchse hineinragt. Hierdurch wird erreicht, daß keine hydraulischen Druckkräfte mehr auf die Stirnseiten der Laufbuchse wirken können. Axiale Kräfte, die vom Druck in der Hydraulikflüssigkeit auf die Laufbuchsen ausgeübt werden, werden damit zuverläs­ sig ausgeschlossen. Die Laufbuchsen werden in Axial­ richtung praktisch nur noch durch Reibungskräfte zwi­ schen Kolben und Laufbuchse beansprucht. Für die Lauf­ buchsen ist daher keine so große Haltekraft in axialer Richtung mehr notwendig. Damit hat man die Möglichkeit, auch Buchsenmaterial zu verwenden, das nur mit einer geringeren Haltekraft befestigt werden kann, z. B. Buch­ sen aus reinem Kunststoff oder Keramik oder aus anderen Materialien oder Materialkombinationen, die relativ spröde sind oder mit einer glatten, aber spröden Ober­ fläche versehen sind. Wenn man in der Wahl des Buchsen­ materials freier ist, kann man geeignete Materialkom­ binationen für Buchse und Kolben wählen, die ein rei­ bungsarmes Arbeiten ermöglichen, auch wenn die Hydrau­ likflüssigkeit keine oder nur geringe schmierende Ei­ genschaften aufweist.

Bevorzugterweise weist die Druckplatte zumindest im Bereich der Anlage an den Steuerspiegel eine reibungs­ vermindernde Oberflächenschicht, insbesondere aus Kunststoff auf. Auch hierdurch wird erreicht, daß man auf die Schmierung durch die Hydraulikflüssigkeit weit­ gehend oder sogar vollständig verzichten kann. Der Kreis der zur Verfügung stehenden Hydraulikflüssigkei­ ten wird damit erheblich vergrößert. Man kann auf um­ weltbelastende, synthetische Hydrauliköle verzichten.

Hierbei ist besonders bevorzugt, daß die Druckplatte vollständig von der Oberflächenschicht umgeben ist. Es existieren keine Spalte oder Lücken, durch die Hydrau­ likflüssigkeit eindringen könnte, um sich dann zwischen die Oberflächenschicht und die Druckplatte zu begeben. Derartig eindringende Flüssigkeit könnte die Oberflä­ chenschicht beschädigen und über kurz oder lang zu ei­ nem Ausfall der Maschine führen.

In einer anderen Ausgestaltung ist die Druckplatte aus Kunststoff gebildet. Dieser Kunststoff wird dann bevor­ zugterweise, genau wie das Material der Oberflächen­ schicht, so gewählt, daß er zusammen mit dem Werkstoff des Steuerspiegels ein reibungsarmes Gleiten auch unter relativ großen Kräften erlaubt. Als Kunststoff für die Druckplatte oder für die Oberflächenschicht kommen ins­ besondere Werkstoffe aus der Gruppe der hochfesten thermoplastischen Kunststoffe auf der Basis von Polya­ ryletherketonen, insbesondere Polyetheretherketonen, Polyamiden, Polyacetalen, Polyarylether, Polyethylen­ terephtalaten, Polyphenylensulfiden, Polysulfonen, Po­ lyethersulfonen, Polyetherimiden, Polyamidimid, Poly­ acrylaten, Phenol-Harzen, wie Novolack-Harzen, oder ähnliches in Betracht, wobei als Füllstoffe Glas, Gra­ phit, Polytetrafluorethylen oder Kohlenstoff, insbeson­ dere in Faserform, verwendet werden können. Bei Verwen­ dung derartiger Materialien läßt sich auch Wasser als Hydraulikflüssigkeit verwenden.

In einer weiteren alternativen Ausgestaltung kann die Druckplatte aus gesintertem Metall gebildet sein. Auch hierbei lassen sich geeignete Werkstoffkombinationen von Druckplatte und Steuerspiegel erhalten, die ein reibungsarmes Gleiten bei der Relativdrehung von Druck­ platte und Steuerspiegel ermöglichen, so daß auf eine Schmierung durch die Hydraulikflüssigkeit in weitem Umfang verzichtet werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzug­ ten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeich­ nung beschrieben. Hierin zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine hydraulische Axial­ kolbenmaschine und

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Steuerspiegel.

Eine hydraulische Axialkolbenmaschine 1 weist eine Zy­ lindertrommel 2 auf, in der mehrere Zylinder 3 angeord­ net sind, deren Achsen sich parallel zur Achse der Zy­ lindertrommel 2 erstrecken. Die Zylindertrommel 2 ist fest mit einer Welle 4 verbunden, d. h. sie folgt einer Drehbewegung der Welle 4 und ist auch in Axialrichtung der Welle festgelegt.

Jeder Zylinder 3 weist eine Laufbuchse 5 auf. In der Laufbuchse 5 ist ein Kolben 6 axial verschiebbar ange­ ordnet. Die Bewegung des Kolbens 6 erfolgt über eine Schrägscheibe 7, an der sich der Kolben 6 über ein Ku­ gelgelenk 8 mit Hilfe eines Gleitschuhs 9 abstützt. Der Gleitschuh 9 wird mit Hilfe einer Niederhalteplatte 10 an der Schrägscheibe 7 gehalten.

Am anderen Ende der Maschine ist ein Steuerspiegel 11 angeordnet, der zwei bogen- oder nierenförmige Steuer­ öffnungen 12, 13 aufweist, von denen einer mit einem Zuflußanschluß 14 und der andere mit einem Abflußan­ schluß 15 in Verbindung steht. Der Steuerspiegel 11 ist ortsfest im Gehäuse 16 angeordnet, während sich die Zylindertrommel 2 im Gehäuse dreht.

Die mit dem Zuflußanschluß 14 verbundene Steueröffnung 12 ist einem Bereich angeordnet, in dem sich der Kolben 6 in der Zylindertrommel 2 weg von dem Steuerspiegel 11 bewegt. Die mit dem Abflußanschluß 15 verbundene Steu­ eröffnung 13 ist in einem anderen Bereich angeordnet, in dem sich der Kolben 6 auf den Steuerspiegel 11 zu bewegt.

Zwischen dem Steuerspiegel 11 und der Zylindertrommel 2 ist eine Druckplatte 17 angeordnet, die zumindest auf der dem Steuerspiegel 11 zugewandten Seite, am besten aber vollständig von einer reibungsvermindernden Ober­ flächenschicht 18 umgeben ist. Das Material der Ober­ flächenschicht 18, bevorzugterweise ein Kunststoff, wie Polyamid, PTFE oder Polyaryletherketone, insbesondere Polyetheretherketone (PEEK), ist so auf das Material des Steuerspiegels 11 abgestimmt, daß sich ein rei­ bungsarmes Gleiten ergibt, d. h. die Relativbewegung zwischen Steuerspiegel 11 und Druckplatte 17 verursacht keinen nennenswerten Reibungskräfte.

In der Druckplatte 17 ist eine Steckbuchse 19 angeord­ net und zwar in einer Durchgangsöffnung 20, die wieder­ um mit den Steueröffnungen 12, 13 in Überdeckung bring­ bar ist. Die Steckbuchse 19 ist mit ihrem anderen Ende in den Zylinder 3 hineingesteckt und zwar in das Innere der Laufbuchse 5. Somit kann keine Hydraulikflüssigkeit an das stirnseitige Ende der Laufbuchse 5 gelangen.

Die Druckplatte 17 ist über eine Druckfeder 21 mit der Zylindertrommel 2 verbunden. Anstelle einer einzelnen Druckfeder 21 in der axialen Mitte lassen sich auch drei oder mehr Federn verwenden, die im wesentlichen punktsymmetrisch in der Zylindertrommel 2 verteilt sind. Auch eine außen um die Zylinder herum geführte Wellenfeder ist möglich.

Die Zylindertrommel 2 wird durch die Druckfeder 21 nach oben, d. h. weg von dem Steuerspiegel 11, geschoben. Hierdurch wird erreicht, daß Zylindertrommel 2 und Druckplatte 17 voneinander getrennt werden. Man er­ reicht hierdurch zunächst eine bewegungsmäßige Entkopp­ lung von Zylindertrommel 2 und Druckplatte 17. Die Zy­ lindertrommel 2 kann nun auch, abhängig vom Anwendungs­ fall, in Axialrichtung fest im Gehäuse 16 montiert wer­ den, so daß Kräfte wie Reibungskräfte zwischen Kolben 6 und Zylinder 3 von Lagern 22 aufgenommen werden können, also nicht zu einer Störung des Kräftegleichgewichts an der Druckplatte 17 führen. Man kann hierdurch die Kräf­ te nicht nur theoretisch besser ausbalancieren. Das Gleichgewicht läßt sich in der Praxis auch wesentlich besser einstellen.

Die Steckbuchse 19 ist in die Laufbuchse 5 eingesteckt und dort abgedichtet. Sie verhindert, daß Hydraulik­ flüssigkeit an die Stirnseite der Laufbuchse 5 gelangt. Man verhindert hierdurch zusätzlich, daß axiale Kräfte von der Hydraulikflüssigkeit auf die Laufbuchse 5 aus­ geübt werden. Die Laufbuchse 5 kann also mit einer we­ sentlich geringeren Haltekraft im Zylinder 3 befestigt werden. Diese Haltekraft muß nur noch so groß sein, daß die vom Kolben 6 auf die Laufbuchse 5 ausgeübten Kräfte aufgenommen werden können. Dadurch können auch Materia­ lien für die Laufbuchsen 5 verwendet werden, die zwar ein gutes Reibungsverhalten zusammen mit dem Kolben 6 zeigen, ansonsten aber nicht gut geeignet wären, weil sie zu spröde sind. Beispielsweise kann man nun Lauf­ buchsen aus reinem Kunststoff oder Keramik verwenden.

Die Druckplatte 17 und die Laufbuchse 19 können aus verschiedenen Materialien hergestellt werden, wobei die Steckbuchse 19 aber in der Druckplatte 17 befestigt ist. Druckplatte 17 und Steckbuchse 19 können aus rei­ nem Kunststoff hergestellt werden. Sie können auch aus mit Kunststoff umschlossenen Material hergestellt wer­ den. Alternativ dazu können auch zwei Metallteile ver­ wendet werden, die mit Hilfe eines Preßsitzes zusammen­ gebaut oder zusammengelötet oder -gesintert sind.

Letztendlich können auch die Druckplatte und die Steck­ buchse 19 als ein Stück hergestellt werden, beispiels­ weise aus Metall, das gegossen oder gesintert worden ist.

In Fig. 1 ist lediglich ein Zylinder 3 im Querschnitt gezeigt. Es versteht sich, daß in Umfangsrichtung der Zylindertrommel eine Mehrzahl von Zylindern vorgesehen sein können. Insbesondere sollte mindestens ein Zylin­ der mit dem Zufluß und mindestens ein Zylinder mit dem Abfluß verbunden sein.

Claims (10)

1. Hydraulische Axialkolbenmaschine mit einer Zylin­ dertrommel, die mindestens einen Zylinder aufweist, in dem ein Kolben axial verschiebbar gelagert ist, und einem Steuerspiegel, der bei einer Drehung von Zylindertrommel und Steuerspiegel relativ zueinan­ der den Zylinder positionsabhängig mit einem Flüs­ sigkeitszufluß und einem Flüssigkeitsabfluß verbin­ det, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Zy­ lindertrommel (2) und dem Steuerspiegel (11) eine Druckplatte (17) angeordnet ist, die über ein Fe­ derelement (21) an der Zylindertrommel (2) abge­ stützt ist, wobei die Druckplatte (17) eine dem Zy­ linder (3) zugeordnete Durchgangsöffnung (20) auf­ weist, die flüssigkeitsdicht mit dem Zylinder (3) verbunden ist.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (21) durch eine einzelne Feder gebildet ist, die in der radialen Mitte der Zylin­ dertrommel (2) angeordnet ist.

3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Verbindung von Zylinder (3) und Durchgangsöffnung (20) eine Steckbuchse (19) vor­ gesehen, die im Zylinder (3) und/oder in der Durch­ gangsöffnung (20) axial verschiebbar ist.

4. Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steckbuchse (19) entweder in der Zylinder­ trommel (2) oder in der Druckplatte (17) befestigt ist.

5. Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steckbuchse (19) einstückig mit der Druck­ platte (17) ausgebildet ist.

6. Maschine nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (3) mit einer Laufbuchse (5) ausgebildet ist, wobei die Steck­ buchse (19) in das Innere der Laufbuchse (5) hin­ einragt.

7. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckplatte (17) zumindest im Bereich der Anlage an den Steuerspiegel (11) eine reibungsvermindernde Oberflächenschicht (18), insbesondere aus Kunststoff aufweist.

8. Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckplatte (17) vollständig von der Ober­ flächenschicht (18) umgeben ist.

9. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckplatte (17) aus Kunst­ stoff gebildet ist.

10. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckplatte (17) aus ges­ intertem Metall gebildet ist.