DE4340061A1 - Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauart - Google Patents
Axialkolbenmaschine in SchrägscheibenbauartInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine in
Schrägscheibenbauweise mit einer rotierenden Zylindertrommel im Inneren eines Ge
häuses, die eine Mehrzahl von Zylindern mit darin längsverschieblichen Kolben auf
einem konzentrisch zur Drehachse angeordneten Teilkreis aufweist und gegen einen
gehäusefesten Steuerboden anliegt, wobei die Kolben mit einer schräg zur Drehachse
positionierbaren Wirkfläche in Eingriff stehen, und die Zylinderbohrungen mit Verbin
dungsöffnungen zu Steuerkanälen im Steuerboden versehen sind.
Derartige Axialkolbenmaschinen sind im Stand der Technik bekannt und finden
insbesondere bei hydrostatischen Antrieben mit Hochdruckpumpen und -motoren
Verwendung. Diese Axialkolbenmaschinen können mit konstantem oder veränder
lichem Fördervolumen ausgebildet sein. Die vorliegende Erfindung bezieht sich
vorzugsweise auf Einheiten mit konstantem Förder- oder Schluckvolumen, sie ist aber
auch auf Axialkolbeneinheiten mit veränderlichem Volumen anwendbar. Die rotierende
Zylindertrommel stützt sich gegen eine gehäusefeste Steuerfläche ab. Die Steuerfläche
weist nierenförmige, zueinander symmetrisch liegende Steuerkanäle oder Durchbrüche
auf, die eine Verbindung zwischen den Ansaug- bzw. Druckkanälen und den Bohrun
gen der Kolben in der Zylindertrommel herstellen. Der Spalt ist nötig, damit sich ein
hydrostatischer Schmierfilm zwischen den Stegen der Steuerfläche und denen der
Zylindertrommel bilden kann, der die Reibung der rotierenden Zylindertrommel herab
setzt und einen störungsfreien und leichtgängigen Lauf der Maschine ermöglicht. Um
diesen Spalt möglichst gering zu halten, um damit auch die Leckrate zu reduzieren,
wird die Zylindertrommel von einerseits einer Druckfeder gegen die Steuerfläche ge
drückt und andererseits dadurch druckbeaufschlagt, daß eine Verbindung zwischen
den Zylinderbohrungen und den Steuerkanälen durch Öffnungen hergestellt wird, deren
Durchmesser jeweils kleiner ist als der Durchmesser der Zylinderbohrungen. Durch die
letztgenannte Maßnahme wird die Zylindertrommel infolge des Flüssigkeitsdrucks in
der Zylinderbohrung gegen die Steuerfläche gepreßt, wobei der Anpreßdruck propor
tional zur Belastung der Maschine ist.
Die entlastende Druckfläche am Steuerboden ist so gestaltet, daß die Resultierende
der anpressenden Kolbenkraft (Fk) und die Resultierende der entlastenden Druckkräfte
am Steuerboden (Fe) auf einer Linie liegen. Um kein Lecköl vergrößerndes Abkipp
moment zu erhalten, muß die resultierende Kolbenquerkraft (Fkq) am Schnittpunkt der
Ebene durch die Gleitschuhgelenke mit der Triebwerksachse abgestützt werden. Kon
struktiv wird dieses Problem durch einen axial aus der Zylindertrommel herausgezo
genen Hals zur Wellenabstützung oder durch Herausziehen über die Gleitschuhe bei
einer Außenlagerung gelöst.
Diese erstgenannte Bauart einer Axialkolbenmaschine stützt die Kolbenquerkräfte über
den oben erwähnten herausgezogenen Zylinderblockhals, der eine Innenverzahnung
aufweist, auf die Antriebswelle ab und hat den Nachteil, daß der herausgezogene
Zylinderblockhals den Bauraum des Triebwerkes von innen heraus vergrößert. Ferner
ist die Festigkeit des Halses wegen der geforderten geringen Wandstärke und dem
großen Durchmessersprung zum eigentlichen Zylinderblock kritisch, da hier an der
Übergangsstelle eine Kerbwirkung auftritt.
Ein mögliches Herausziehen des Zylinderblocks über die Gleitschuhe bei Außenlage
rung bewirkt eine starke unerwünschte Zunahme des Bauraums und ist außerdem in
der Herstellung zu aufwendig.
Es ist daher wünschenswert, eine konstruktive Lösung zu finden, bei der der vorge
zogene Hals entfällt oder kürzer ausgeführt werden kann und der konzentrisch zur
Drehachse liegende Teilkreis im Durchmesser reduziert wird, so daß damit der ge
samte Bauraum reduziert wird, und zusätzlich sollte mehr Raum für die Elemente der
Gleitschuh-Anpressung und Abkippsicherung geschaffen werden.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Axialkolbenmaschine auf wirt
schaftliche Weise so zu konstruieren, daß sich eine kompakte Bauweise der Axial
kolbenmaschine ergibt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Querkraft-Abstützung im
wesentlichen innerhalb der axialen Erstreckung der Zylindertrommel angeordnet ist und
der gehäusefeste Steuerboden im Gehäuse Durchbrüche aufweist, die ein asymme
trisches Druckfeld aufbauen.
Der Vorteil dieser Erfindung liegt darin, daß durch die Verlagerung der Querkraft-
Abstützung in das Innere der Zylindertrommel, genauer gesagt, in den Bereich der
axialen Erstreckung der Zylindertrommel, die Länge und der Durchmesser der
Zylindertrommel bzw. die Länge der gesamten Axialkolbenmaschine verringert werden
kann, weil der Zylinderblockhals bzw. der herausgezogene Kragen entfällt.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird hierbei vorge
schlagen, daß die Querkraftabstützung und Drehmomentübertragung innerhalb der
axialen Erstreckung der Zylindertrommel durch eine achsparallele Verzahnung auf der
Antriebswelle erfolgt.
Ferner wirkt es sich auf den Bauraum der Axialkolbenmaschine gemäß einer zweiten
Ausgestaltung der Erfindung vorteilhaft aus, wenn bei Axialkolbenmaschinen mit
Außenlagerung der Zylindertrommel die Querkraftabstützung innerhalb der axialen
Erstreckung der Zylindertrommel durch eine Lagerung der Zylindertrommel auf dem
Außendurchmesser der Zylindertrommel erfolgt und die Drehmomentübertragung
innerhalb der axialen Erstreckung der Zylindertrommel durch eine achsparallele
Verzahnung auf der Antriebswelle. Hierdurch entfällt der zur Lagerung sonst übliche
hohe Kragen am Zylinderblock. Da bei Außenlagerung über die Verzahnung innerhalb
der Zylindertrommel lediglich die Drehmomentübertragung von der Antriebswelle auf
die Zylindertrommel erfolgt, kann die Welle im Durchmesser reduziert werden, wodurch
der Teilkreis eingezogen werden kann und somit ebenfalls den Bauraum verringert.
Als äußerst vorteilhaft erweist es sich, die Nieren und Stege des gehäusefesten
Steuerbodens asymmetrisch in Bezug auf die Spiegelungsachse eines willkürlich
gewählten Koordinatensystems auszubilden, so daß die Summe der an der Zylinder
trommel angreifenden Drehmomente um die X-Achse ungefähr Null ist. Durch die
erfindungsgemäße asymmetrische Ausgestaltung der Steuernieren wird das hydro
statische Druckfeld so gestaltet, daß ein dem abkippenden Moment entgegenge
richtetes Moment an der X-Achse der Zylindertrommel entsteht. Der Schwerpunkt der
Summe der Druckkräfte in den Nieren und den Dichtstegen (Fe) liegt jetzt leicht
verschoben, so daß sich ein Abstand (es) zur Resultierenden der Kolbenkräfte (Fk)
ergibt.
Neben der Möglichkeit, das asymmetrische Druckfeld am Steuerboden durch
verschieden große Drucknieren zu bilden, erweist es sich als zweckmäßig, das
asymmetrische Druckfeld dadurch zu bilden, daß die Drucknieren verschiedene radiale
Abstände von der Triebwerksmitte aufweisen. Darüber hinaus ist es auch möglich,
hierfür mindestens eine vom Hochdruck beaufschlagte Zusatzfläche vorzusehen.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand mehrerer, in den sche
matischen Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1a eine Axialkolbenmaschine des Standes der Technik im Querschnitt mit einer
innengelagerten Zylindertrommel;
Fig. 1b eine Draufsicht auf den Steuerboden der Axialkolbenmaschine nach Fig. 1;
Fig. 2 eine Axialkolbenmaschine des Standes der Technik im Querschnitt mit einer
außengelagerten Zylindertrommel;
Fig. 3a eine erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine im Querschnitt mit einer
innengelagerten Zylindertrommel;
Fig. 3b eine Draufsicht auf den Steuerboden der Axialkolbenmaschine nach Fig. 3a
mit den erfindungsgemäßen asymmetrischen Nieren;
Fig. 4a eine erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine im Querschnitt mit einer
außengelagerten Zylindertrommel;
Fig. 4b eine Draufsicht auf den Steuerboden der Axialkolbenmaschine nach Fig. 4a
mit den erfindungsgemäßen asymmetrischen Nieren.
In Fig. 1a wird eine Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise des Standes
der Technik gezeigt, deren Triebwerk in einem Gehäuse 1 untergebracht ist. Eine
rotierende Zylindertrommel 2 weist axial eine Bohrung auf, an deren Wandung achs
parallele Stege einer Verzahnung 6 mit einer Antriebswelle 13 angebracht sind. In der
Zylindertrommel 2 befindet sich eine Vielzahl von Zylinderbohrungen 3, in denen sich
längsverschieblich jeweils ein Kolben 4 hin- und herbewegt. Die Anzahl der Bohrungen
bzw. Zylinder ist vom gewünschten Fördervolumen pro Umdrehung abhängig und rich
tet sich somit nach den Anforderungen an die Axialkolbenmaschine. Die Zylinder
trommel 2 liegt mit ihrer Stirnseite gegen eine gehäusefeste Steuerfläche 5 an. Die
Zylinderbohrungen 3 sind konzentrisch zur Drehachse der Zylindertrommel 2 ange
ordnet. Die längsverschieblichen Kolben 4 stehen mit einer Schrägscheibe 11 über
einen Gleitschuh 15 in Wirkverbindung. Bei Drehung der Antriebswelle 13 wird wegen
der Schrägstellung der Schrägscheibe 11 ein Kolbenhub der Kolben 4 hervorgerufen.
Die Zylinderbohrungen 3 stehen bei einer bestimmten Stellung der Zylindertrommel 2
mittels der Nieren 7a, 7b, 7c, 9a, 9b, 9c in dem Steuerboden 5 mit den Saug- bzw.
Druckkanälen (14) in Verbindung. Dadurch, daß die Zylinderbohrungen 3 größer sind als die
Verbindungsöffnungen 12, wird bei einem belastungsabhängigen Druck in den Zylin
derbohrungen 3 die Zylindertrommel 2 gegen den Steuerboden 5 gepreßt. Der so
erzeugten axialen (resultierenden) Kolben kraft Fk ist eine hydrostatische Entlastungs
kraft Fe, die, wie bekannt, zwischen der Stirnfläche der Zylindertrommel 2 und dem
Steuerboden 5 wirkt, entgegengerichtet. Wie bereits eingangs erwähnt, sind die
entlastenden Druckflächen am Steuerboden (d. h. die Flächen zwischen den Nieren)
so gestaltet, daß die Resultierende der anpressenden Kolbenkraft Fk und die Resul
tierende der entlastenden Druckkräfte am Steuerboden Fe auf einer Linie liegen. Die
resultierende Kolbenquerkraft Fkq ist am Schnittpunkt der Ebene der Gleitschuh
gelenke mit der Mittellinie der Antriebswelle 13 abgestützt, was bei dieser Axialkolben
maschine des Standes der Technik durch einen aus der Zylindertrommel 2 heraus
gezogenen Hals 2a zur Antriebswelle hin erfolgt. Um auch im drucklosen Zustand der
Schrägscheibenmaschine und bei geringem Druck bereits eine gewisse Anpressung
der Zylindertrommel 2 an den Steuerboden 5 zu bewirken, ist eine Feder-Scheibe-Ring-
Kombination 16, 17, 18 vorgesehen, wobei sich die Feder 16 einerseits auf der An
triebswelle 13 abstützt und andererseits gegen die Scheibe 17, die durch den Ring 18
gesichert ist.
Die Kolben 4 weisen am unteren Ende kugelförmige Endteile 26 auf, die in entspre
chenden Ausnehmungen in den Gleitschuhen 15 gelagert sind. Die Gleitschuhe 15
werden von einem Niederhaltering 24 auf die Gleitfläche 11 durch den Druck einer
kugelförmigen Rückstellung 23 gepreßt. Die Rückstellung erfährt infolge der Spannkraft
der Feder 16 ihre in dieser Figur nach unten gerichtete Kraft. Die Gleitschuhe 15 und
die Endteile 26 der Kolben 4 sind von Bohrungen durchsetzt und versorgen die Druck
taschen 27 der Gleitschuhe 15 mit Druckmittel zur Schmierung der Gleitflächen der
Gleitschuhe 15.
Die Zylindertrommel 2 ist innengelagert, d. h. sie ist auf der Antriebswelle 13 abgestützt,
die mittels zweier Wälzlager 30, 31 im Gehäuse 1 drehbar ist.
In Fig. 2 ist eine Axialkolbenmaschine des Standes der Technik dargestellt, bei der die
Zylindertrommel 2 außengelagert ist. Dabei ist die Zylindertrommel 2 mit einem Kragen
2b über die Gleitschuhe 15 axial herausgezogen und zwischen der sich ergebenden
Außenumfangsfläche und der Innenseite des Gehäuses ein Wälzlager 32 angeordnet.
Auch bei dieser Konstruktion liegen die Resultierende der anpressenden Kolbenkraft
Fk und die Resultierende der entlastenden Druckkräfte am Steuerboden Fe auf einer
Linie. Die resultierende Kolbenquerkraft Fkq ist im Bereich des Kragens 2b abgestützt.
In den Fig. 3a und 3b ist eine erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine dargestellt.
Hierbei erfolgt die Abstützung allerdings nicht wie aus dem Stand der Technik bekannt
außerhalb der Axialerstreckung der eigentlichen Zylindertrommel 2 im Schnittpunkt der
Ebene der Gleitschuhgelenke mit Hilfe eines herausgezogenen Halses 2a sondern
innerhalb der Axialerstreckung der Zylindertrommel 2 auf der Antriebswelle 13, die an
zwei Stellen mit Hilfe von Rollenlagern 30, 31 am in Fig. 3a unteren und oberen Ende
gelagert ist.
Im Normalfall müßte die Kolbenquerkraft Fkq mit der Lage der Abstützkraft Flq überein
stimmen. Durch die erfindungsgemäße Lagerungsart der Zylindertrommel 2 innerhalb
der Axialerstreckung der Zylindertrommel 2 verschiebt sich jedoch die Abstützkraft, so
daß sich zwischen der Kolbenquerkraft Fkq und der Lagerkraft Flq im Abstand eq ≠ = 0
ergibt. Diese Verschiebung bewirkt ein Kippmoment. Um dieses Kippmoment auszu
gleichen sind erfindungsgemäß die Nieren 7, 8 bzw. die Stege 25 in dem Steuerboden
5 asymmetrisch gestaltet, um auf die Zylindertrommel 2 ein Kompensationsmoment
auszuüben. Daher fallen auch die resultierenden Kolbenkräfte Fk und Entlastungskräfte
Fe nicht mehr zusammen (es ergibt sich ein Abstand es), so daß eine Verschiebung
der Druckkräfte in Y-Richtung im gewählten Koordinatensystem erfolgt (siehe Fig. 3b).
Spiegelt man die Druckniere in Fig. 3b um die Y-Achse, so können alle Anwendungs
fälle eines Motors und einer Pumpe im offenen und geschlossenen Kreis realisiert
werden.
In den Fig. 4a und 4b ist eine erfindungsgemäße Variante der Axialkolbenmaschine
dargestellt, bei der die Zylindertrommel 2 am Außendurchmesser innerhalb der axialen
Erstreckung der Zylindertrommel 2 abgestützt ist. Auch bei dieser Konstruktion ergibt
sich eine Verschiebung der Kräfte Fk und Fe.
Claims (6)
1. Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise mit einer rotierenden Zylinder
trommel (2) im Innern eines Gehäuses (1), die eine Mehrzahl von Zylindern (3) mit
darin längsverschieblichen Kolben (4) auf einem konzentrisch zur Drehachse an
geordneten Teilkreis aufweist und gegen einen gehäusefesten Steuerboden (5)
anliegt, wobei die Kolben (4) mit einer schräg zur Drehachse positionierbaren
Wirkfläche in Eingriff stehen und die Zylinderbohrungen mit Verbindungsöffnungen
zu Steuerkanälen im Steuerboden (5) versehen sind, dadurch gekennzeichnet,
daß
- - die Querkraft-Abstützung (6) im wesentlichen innerhalb der axialen Erstreckung der Zylindertrommel (2) angeordnet ist; und
- - der gehäusefeste Steuerboden (5) im Gehäuse (1) Durchbrüche (7, 8, 9) aufweist, die ein asymmetrisches Druckfeld aufbauen.
2. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quer
kraftabstützung und Drehmomentübertragung (6) innerhalb der axialen Erstreckung
der Zylindertrommel (2) durch eine achsparallele Verzahnung auf der An
triebswelle (13) erfolgt.
3. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quer
kraftabstützung innerhalb der axialen Erstreckung der Zylindertrommel (2) durch
eine Lagerung der Zylindertrommel (2) auf dem Außendurchmesser der Zylinder
trommel (2) erfolgt und die Drehmomentübertragung innerhalb der axialen Erstreckung
der Zylindertrommel (2) durch eine achsparallele Verzahnung auf der An
triebswelle (13).
4. Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Nieren (7, 8, 9) und Stege (25) des gehäusefesten Steuerbodens (5)
asymmetrisch in bezug auf die Spiegelungsachse (X) eines willkürlich gewählten
Koordinatensystems ausgebildet sind, so daß die Summe der an der Zylinder
trommel (2) angreifenden Drehmomente um die X-Achse ungefähr Null ist.
5. Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß das asymmetrische Druckfeld dadurch gebildet wird, daß die Drucknieren (7,
8, 9) verschiedene radiale Abstände von der Triebwerksmitte aufweisen.
6. Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß das asymmetrische Druckfeld durch mindestens eine vom Hochdruck beauf
schlagte Zusatzfläche an der Druckniere gebildet ist.
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DE4340061C2 DE4340061C2 (de) | 1997-02-20 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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Owner name: LINDE MATERIAL HANDLING GMBH & CO. KG, 63743 A, DE |
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Owner name: LINDE MATERIAL HANDLING GMBH, 63743 ASCHAFFENB, DE |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: PATENTSHIP PATENTANWALTSGESELLSCHAFT MBH, DE |
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