DE4301134C2 - Hydraulische Axialkolbenmaschine - Google Patents
Hydraulische AxialkolbenmaschineInfo
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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, wobei zwischen der Zylindertrommel und dem Steu
erspiegel eine Druckplatte angeordnet ist, die eine dem
Zylinder zugeordnete und flüssigkeitsdicht mit diesem
über eine Steckbuchse verbundene Durchgangsöffnung auf
weist.
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 fließende 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.
Eine Maschine der eingangs genannten Art ist aus
GB-PS 1 482 817 bekannt. Hier gleitet der Kolben direkt auf
der Zylindertrommel.
DE 25 21 182 A1 zeigt eine Schrägscheiben-Axialkolben
maschine, bei der im Zylinder eine Laufbuchse vorgese
hen ist, die mit Polytetrafluoräthylen beschichtet ist,
um ein reibungsarmes Gleiten des Kolbens am Zylinder zu
erreichen.
DE 89 13 254 U1 zeigt eine Axialkolbenpumpe für hohe
Drehzahlen. Hierbei ist eine Ventilplatte über Steck
buchsen mit den Zu- bzw. Abflußkanälen verbunden. Die
Ventilplatte ist auf ihrer Steuerspiegelseite, d. h. der
Seite, an der die Zylindertrommel anliegt, mit einer
reibungsvermindernden Schicht versehen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die
Maschine mit einer Hydraulikflüssigkeit zu betreiben,
die keine oder nur geringe schmierende Eigenschaften
aufweist.
Diese Aufgabe wird bei einer hydraulischen Axialkolben
maschine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß
der Zylinder mit einer Laufbuchse ausgebildet ist, wo
bei die Steckbuchse in das Innere der Laufbuchse hin
einragt, um axiale, vom Druck der Hydraulikflüssigkeit
auf die Laufbuchse ausgeübte Kräfte auszuschließen.
Hierdurch wird erreicht, daß keine hydraulischen Druck
kräfte mehr auf die Stirnseiten der Laufbuchse wirken
können. Axiale Kräfte, die vom Druck in der Hydraulik
flüssigkeit auf die Laufbuchsen ausgeübt werden, werden
damit zuverlässig ausgeschlossen. Die Laufbuchsen wer
den in Axialrichtung praktisch nur noch durch Reibungs
kräfte zwischen Kolben und Laufbuchse beansprucht. Für
die Laufbuchsen ist daher keine so große Haltekraft in
axialer Richtung mehr notwendig. Damit hat man die Mög
lichkeit, auch Buchsenmaterial zu verwenden, das nur
mit einer geringeren Haltekraft befestigt werden kann,
z. B. Buchsen aus reinem Kunststoff oder Keramik oder
aus anderen Materialien oder Materialkombinationen, die
relativ spröde sind oder mit einer glatten, aber sprö
den Oberfläche versehen sind. Wenn man in der Wahl des
Buchsenmaterials freier ist, kann man geeignete Materi
alkombinationen für Buchse und Kolben wählen, die ein
reibungsarmes Arbeiten ermöglichen, auch wenn die Hy
draulikflüssigkeit keine oder nur geringe schmierende
Eigenschaften aufweist.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, daß die Druckplatte
über ein Federelement an der Zylindertrommel abgestützt
ist. Es wird also lediglich ein einziges zusätzliches
Element über eine Feder mit der Zylindertrommel verbun
den. Die Feder trennt die Zylindertrommel und die
Druckplatte. Hierdurch wird erreicht, daß parasitäre
Kräfte, die beispielsweise von der Reibung des Kolbens
im Zylinder stammen, nicht mehr direkt auf den Steuer
spiegel übertragen werden, sondern von der Feder bzw.
von Lagern ausgenommen werden. Die Kräfte, die nun noch
ausbalanciert werden müssen, werden ausschließlich vom
Druck der Feder und dem hydraulischen Druck im Zylinder
hervorgerufen. 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 die Steckbuchse im Zylinder und/oder
in der Durchgangsöffnung axial verschiebbar. Mit
einer derartigen Steckbuchse läßt sich auf einfache
Weise eine flüssigkeitsdichte Verbindung sicherstellen,
auch wenn kleinere Bewegungen zwischen der Zylinder
trommel und der Druckplatte zugelassen werden müssen.
Die Steckbuchse muß dann natürlich in dem Teil, in dem
sie sich bewegt, abgedichtet geführt sein. Dies läßt
sich jedoch durch relativ einfach ausgebildete Ring
dichtungen 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.
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
keine 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 Steckbuchse 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, wobei zwischen der Zylindertrommel und dem
Steuerspiegel eine Druckplatte angeordnet ist, die
eine dem Zylinder zugeordnete und flüssigkeitsdicht
mit diesem über eine Steckbuchse verbundene Durch
gangsöffnung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß
der Zylinder (3) mit einer Laufbuchse (5) ausgebil
det ist, wobei die Steckbuchse (19) in das Innere
der Laufbuchse (5) hineinragt, um axiale, vom Druck
der Hydraulikflüssigkeit auf die Laufbuchse (19)
ausgeübte Kräfte auszuschließen.
2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Druckplatte (17) über ein Federelement (21)
an der Zylindertrommel (7) abgestützt ist.
3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Federelement (21) durch eine einzelne Feder
gebildet ist, die in der radialen Mitte der Zylin
dertrommel (2) angeordnet ist.
4. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Steckbuchse (19) im Zylin
der (3) und/oder in der Durchgangsöffnung (20) axi
al verschiebbar ist.
5. Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Steckbuchse (19) entweder in der Zylinder
trommel (2) oder in der Druckplatte (17) befestigt
ist.
6. Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Steckbuchse (19) einstückig mit der Druck
platte (17) ausgebildet ist.
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.
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