DE4405967A1 - Hydraulische Axialkolbenmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Axialkolbenma­ schine mit axial bewegbaren Kolben, die an ihrem einen Ende mit Hilfe von Gleitschuhen an einer Schrägscheibe abgestützt sind, und mit einer Andruckplatte zum Halten der Gleitschuhe in Anlage an der Schrägscheibe.

Die Andruckplatte hält die Gleitschuhe in Anlage an der Schrägscheibe. Hierbei soll eine möglichst parallele Ausrichtung der Gleitschuh-Lauffläche zur Schrägscheibe gewährleistet sein, damit kein einseitiger Verschleiß der Gleitschuhe auftritt und gleichzeitig eine hydrau­ lische Entlastung durch zwischen Gleitschuh-Lauffläche und Schrägscheibe eingespeiste Flüssigkeit erfolgen kann.

Problematisch ist hierbei jedoch, daß die Andruckplatte und die Gleitschuhe im Betrieb erheblichen Kräften aus­ gesetzt sind, die in vielen Fällen versuchen, die Gleitschuh-Lauffläche von der Schrägscheibe abzuheben. Zu diesen Kräften gehören unter anderem die auf die Gleitschuhe wirkende Zentrifugalkraft und die durch die Beschleunigung des Kolbens hervorgerufene Beschleuni­ gungskraft sowie im Pumpenbetrieb durch Saugdrücke her­ vorgerufene Kräfte. Dem entgegen muß die über die An­ druckplatte ausgeübte Andruckkraft wirken. In vielen Fällen wird diese Kraft allerdings in der Mitte der Andruckplatte eingeleitet, beispielsweise über ein Ku­ gelgelenk. Da die Andruckplatte nicht unendlich steif ist, wird sie durch die zuvor genannten Kräfte einer Verbiegung ausgesetzt, so daß die Andruckplatte leicht konkav wird, d. h. sie hat in ihrer Mitte einen geringe­ ren Abstand zur Schrägscheibe als an ihrer radialen Außenseite. Dies wiederum führt dazu, daß sich der An­ griffspunkt zwischen Gleitschuh und Andruckplatte wei­ ter nach innen, also zum Mittelpunkt der Andruckplatte, verschiebt. Diese Verschiebung des Angriffspunktes führt mit den oben erwähnten auf die Gleitschuhe wir­ kenden Kräften dazu, daß die Gleitschuhe kippen und einseitig von der Schrägscheibe abheben. In diesem Fall entsteht einerseits die erwähnte unerwünschte einseiti­ ge Abnutzung der Gleitschuhe. Andererseits funktioniert die auf die Gleitschuhe wirkende Druckentlastung nicht mehr, so daß hier zusätzlicher Verschleiß entsteht.

Das Problem an sich ist bekannt. In DE 37 25 979 C2 wird versucht, dadurch Abhilfe zu schaffen, daß eine Schrägscheibe mit einem geringeren Durchmesser verwen­ det wird, so daß die Gleitschuh-Lauffläche radial außen ein Stück über die Schrägscheibe vorsteht.

US 3 382 814 offenbart eine andere hydraulische Axial­ kolbenmaschine, bei der die Andruckplatte als Feder ausgebildet ist, die so vorgespannt ist, daß unabhängig von der Belastung eine vorbestimmte Mindestanpreßkraft auf die Gleitschuhe wirkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Anliegen der Gleitschuhe an der Schrägscheibe zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird bei einer hydraulischen Axialkolben­ maschine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Andruckplatte nur auf einen in Radialrichtung der Schrägscheibe außerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegenden Teils der Gleitschuhe wirkt.

Mit dieser Ausgestaltung wird erreicht, daß die An­ druckplatte lediglich oder zumindest hauptsächlich auf den Bereich der Gleitschuhe wirkt, der aufgrund der genannten Kräfte versucht, sich von der Schrägscheibe abzuheben. Der Angriffspunkt der Schrägscheibe an die Gleitschuhe wird also radial weiter nach außen verscho­ ben. Man läßt hierbei zwar einen Teil eines jeden Gleitschuhs von der Andruckplatte unbeaufschlagt, näm­ lich den Teil des Gleitschuhs, der sich innerhalb des vorbestimmten Bereichs befindet. Die Gleitschuhe sind jedoch in der Regel so steif, daß es ausreicht, sie an der Stelle festzuhalten, die am stärksten dazu ten­ diert, sich von der Schrägscheibe abzuheben. Dadurch, daß der Angriffspunkt weiter nach außen verschoben wird, sind zum Abheben der Gleitschuhe nun insgesamt weitaus höhere Kräfte als bisher erforderlich.

In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der vorbe­ stimmte Bereich zumindest annähernd eine Kreisform auf. Dies erleichtert die Fertigung der Maschine ganz erheb­ lich. Außerdem läßt sich das Steuerverhalten besser vorhersagen und damit bestimmen.

Vorteilhafterweise verläuft eine radial äußere Begren­ zung des Bereichs in einem Korridor mit einer vorbe­ stimmten radialen Ausdehnung, in dem auch die Mittel­ punkte von Öffnungen in der Andruckplatte liegen, durch die die Gleitschuhe beziehungsweise die Kolbenenden hindurchgeführt sind. Die Andruckplatte weist in her­ kömmlich bekannter Weise Bohrungen oder Öffnungen auf, durch die die Gleitschuhe mit einem Fortsatz oder - in seltenen Fällen - die Kolbenenden mit ihrem Kugelfort­ satz geführt sind. Die Angriffsfläche der Andruckplatte ist nun so weit nach außen verschoben, daß sie erst radial außerhalb einer gedachten Linie beginnt, die durch die Mittelpunkte aller Öffnungen der Andruckplat­ te verläuft, oder zumindest in der Nähe dieser Linie. Hierdurch wird gewährleistet, daß man einerseits ein Kippen der Gleitschuhe um ihre radial am weitesten in­ nen liegende Kante verhindert, andererseits aber auch ein Kippen um die radial äußerste Kante. Das Kippen um die letzte Kante könnte erfolgen, wenn die durch die Andruckplatte aufgepreßte Anpreßkraft zu weit radial außen auf die Gleitschuhe wirkt.

Hierbei ist bevorzugt, daß die radial äußere Begrenzung einen Abstand von den Mittelpunkten der Öffnungen auf­ weist, der weniger als 22% des Durchmessers der Öff­ nungen beträgt. Die Grenze des Bereichs liegt also in einer relativ engen Nachbarschaft zu derjenigen gedach­ ten Linie durch die Mittelpunkte der Öffnungen. Die genaue Position der Bereichsgrenze hängt jedoch von den Betriebsbedingungen der Maschine ab, beispielsweise von der Drehzahl, weil hiervon die Zentrifugalkraft abhän­ gig ist von den Drücken, insbesondere den Saugdrücken, weil hiervon die auf den Kolben wirkenden Saugkräfte abhängig sind, und von der Steigung der Schrägscheibe, weil hiervon unter anderem die Beschleunigung des Kol­ bens abhängt und damit die auf den Kolben wirkenden Beschleunigungskräfte.

Auch ist bevorzugt, daß der vorbestimmte Bereich durch eine Ausnehmung in der der Schrägscheibe zugewandten Seite der Andruckplatte gebildet ist. Eine derartige Ausnehmung ist leicht herzustellen und gewährleistet mit einer relativ großen Zuverlässigkeit, daß hier kei­ ne Berührung zwischen Andruckplatte und Gleitschuh stattfindet und damit auch keine Krafteinleitung von der Andruckplatte auf die Gleitschuhe erfolgt. Mit "Be­ rührung" ist natürlich lediglich die Flächenberührung etwa parallel zur Ebene der Schrägscheibe gemeint. Eine Berührung zwischen einer Umfangsfläche der Gleitschuhe und der Innenwand der Öffnungen in der Andruckplatte kann selbstverständlich auch im Bereich der Ausnehmung erfolgen. Die Krafteinleitung auf die Gleitschuhe, die im wesentlichen senkrecht zur Ebene der Schrägscheibe gerichtet ist, erfolgt nur außerhalb der Ausnehmung, also außerhalb des vorbestimmten Bereichs.

Vorzugsweise weist die Ausnehmung eine Tiefe im Bereich von etwa 1/10 mm bis etwa 3/10 mm auf. Die untere Gren­ ze wird dadurch bestimmt, daß man trotz der sich erge­ benden Durchbiegung der Andruckplatte einen Mindestab­ stand zwischen Andruckplatte und Gleitschuhen gewähr­ leisten will, um eine Krafteinleitung in den radial innen liegenden Bereich zu vermeiden. Die äußere Grenze ist dadurch bestimmt, wieviel man von der Andruckplatte wegnehmen kann, ohne diese nennenswert zu schwächen. Nimmt man zu viel weg, macht man also die Ausnehmung zu tief, erhöht sich damit die Durchbiegung der Andruck­ platte.

Auch ist bevorzugt, daß die Ausnehmung eine Tiefe von etwa 5% der Dicke der Andruckplatte nicht übersteigt. Dies gewährleistet, daß sich die Biegecharakteristik der Andruckplatte nicht nennenswert verändert.

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

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einer Axialkolbenmaschine mit einer Andruckplatte,

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Andruckplatte,

Fig. 3 einen Schnitt III-III nach Fig. 2,

Fig. 4 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 3 und

Fig. 5 eine schematische Darstellung von im Bereich der Andruckplatte wirkenden Kräften.

Eine hydraulische Axialkolbenmaschine 1, von der ledig­ lich ein Ausschnitt dargestellt ist, weist einen Zylin­ derkörper 2 auf, in dem mehrere Zylinder 3 (nur einer ist dargestellt) angeordnet sind, deren Achsen sich parallel zu einer Achse 22 erstrecken, um die sich der Zylinderkörper 2 im Gehäuse 12 dreht.

Jeder Zylinder 3 weist eine Laufbuchse 5 auf. In der Laufbuchse 5 ist ein Kolben 6 axial verschiebbar ange­ ordnet. Die Bewegungssteuerung des Kolbens 6 erfolgt über eine Schrägscheibe 7, die ortsfest im Gehäuse 12 angeordnet ist und an der sich der Kolben 6 über ein Kugelgelenk 8 mit Hilfe eines Gleitschuhs 9 abstützt. Der Gleitschuh 9 wird mit Hilfe einer Andruckplatte 10 in Anlage an der Schrägscheibe 7 gehalten. Hierbei liegt die Andruckplatte 10 an einer Schulter 23 des Gleitschuhs 9 an, die sich etwa parallel zur Schräg­ scheibe 7 erstreckt. Ein Fortsatz 24 des Gleitschuhs 9 ist durch eine Öffnung 11 in der Andruckplatte 10 ge­ führt. Dieser Fortsatz 24 nimmt auch das Kugelgelenk 8 auf.

Wenn der Zylinderkörper 2 eine volle Umdrehung durch­ führt, wird der Kolben 6 einmal hin- und herbewegt. Durch Änderung der Neigung der Schrägscheibe 7 läßt sich das Hubvolumen der Kolben 6 verändern. Natürlich kann auch der Zylinderkörper 2 im Gehäuse 12 festgelegt sein, wenn sich die Schrägscheibe 7 dreht.

Die Andruckplatte 10 ist über ein weiteres Kugelgelenk 13 mit dem Zylinderkörper 2 gelenkig verbunden. Der auf die Andruckplatte 10 wirkende Druck, der die Gleitschu­ he 9 an der Schrägscheibe 7 hält, kann beispielsweise mit Hilfe einer nicht näher dargestellten Feder erzeugt werden. Denkbar ist auch eine Kolben-Zylinder-Einheit, die die notwendige Andruckkraft erzeugt.

Das Kugelgelenk 13 ist auf einem axialen Fortsatz 14 des Zylinderkörpers 2 angeordnet. Es besteht aus einem auf den Fortsatz 14 aufgeschobenen ringförmigen Gegen­ stück 15 mit einer sphärischen konvexen Oberfläche 16, die mit anderen Worten den Teil einer Kugeloberfläche bildet. An seinem dem Schrägscheibe 7 abgewandten Ende weist das Gegenstück 15 einen zylinderförmigen Bereich 17 mit einem gegenüber der Kugeloberfläche 16 vermin­ derten Durchmesser auf. Dieser Bereich 17 dient bei­ spielsweise bei der Herstellung zum Festhalten des Ge­ genstücks 15.

Mit dem Gegenstück 15 zusammen wirkt ein Lagerelement 18, das das Gegenstück 15 ringförmig umgibt und eine an die sphärische Form des Gegenstücks 15 angepaßte sphä­ rische Lauffläche 19 aufweist. Das Lagerelement 18 ist aus einem Kunststoff gebildet, der an dem Material des Gegenstücks 15 reibungsarm gleiten kann, auch wenn hier keine Schmierung vorgesehen wird. Das Lagerelement 18 ist ringförmig von der Andruckplatte 10 umgeben. Die Andruckplatte 10 weist zwei Anlagefläche 20, 21 auf, die im wesentlichen parallel zu ihrer Flächenausdehnung gerichtet sind. Das Lagerelement 18 weist entsprechende Anlageflächen auf, mit denen es an der Andruckplatte 10 anliegt. Die Andruckplatte 10 kann aber auch unmittel­ bar an dem Gegenstück 15 anliegen, wenn sie eine ent­ sprechend sphärisch ausgebildete Anlagefläche aufweist.

Wenn nun das Gegenstück 15 mit einer Kraft in Richtung auf die Schrägscheibe 7 belastet wird, wird die Kraft auf die Andruckplatte 10 übertragen. Diese wiederum preßt die Gleitschuhe 9 an die Schrägscheibe 7.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die Andruckplatte 10 mit einer Öffnung 25 in ihrer Mitte, die zur Aufnahme des Lagerelements 18 beziehungsweise des Gegenstücks 15 dient. Ferner sind die Öffnungen 11 erkennbar, die zur Aufnahme der Gleitschuhe 9 dienen. Die Öffnungen 11 haben jeweils einen Mittelpunkt 26. Alle Mittelpunkte sind auf einer gemeinsamen Kreislinie 27 angeordnet.

Die Andruckplatte 10 ist in Fig. 3 im Schnitt III-III nach Fig. 2 dargestellt. Fig. 4 stellt einen vergrößer­ ten Ausschnitt aus Fig. 3 dar. In dieser Vergrößerung ist erkennbar, daß die der Schrägscheibe 7 zugewandte Seite der Andruckplatte 10 mit einer Ausnehmung 28 ver­ sehen ist. Die Ausnehmung 28 hat eine Tiefe D, die im Bereich von etwa 1/10 mm bis 3/10 mm liegt. Die Tiefe D der Ausnehmung 28 sollte 5% der Dicke der Andruckplat­ te 10 nicht überschreiten.

Die Ausnehmung 28 hat im wesentlichen eine kreisrunde Form. Sie hat eine radiale Ausdehnung, die sich bis etwa zu der Kreislinie 27 erstreckt, auf der die Mit­ telpunkte 26 der Öffnungen 11 liegen. Die radiale Aus­ dehnung der Ausnehmung 28 kann zwar größer oder kleiner sein als der Radius der Kreislinie 27. Der Toleranzbe­ reich oder Korridor, in dem eine radiale Begrenzung 29 der Ausnehmung 28 verläuft, erstreckt sich jedoch nach außen und nach innen von der Kreislinie 27 um einen Betrag, der weniger als 22% des Durchmessers der Öff­ nungen 11 beträgt. Die Grenzen dieses Toleranzbereichs sind in Fig. 4 mit TA und TI gekennzeichnet. Mit ande­ ren Worten weisen TA und TI jeweils einen Abstand von der Mittelpunktslinie 27 auf, der kleiner als 22% des Durchmessers einer Öffnung 11 ist. Die Breite des durch TA und TI begrenzten Bereichs ist kleiner als 44% des Durchmessers der Öffnung 11. Innerhalb der durch die Grenzen TA und TI vorgebenen Bereichs kann sich die radiale Begrenzung 29 der Ausnehmung 28 befinden. Die genaue Lage der radialen Begrenzung 29 ist von einer Vielzahl von Einflußfaktoren abhängig, insbesondere von dem gewünschten Einsatzzweck und den Betriebsparametern der Maschine. Diese Betriebsparameter sind beispiels­ weise die Drehzahl des Zylinderkörpers 2, die Neigung der Schrägscheibe 7 und die in den Zylinder 3 auftre­ tenden Drücke.

Dies soll anhand von Fig. 5 näher erläutert werden. Über das Gegenstück 15 wird eine Kraft F_T auf die An­ druckplatte 10 eingeleitet.

Diese Kraft F_T kann unter Umständen dazu führen, daß die Andruckplatte 10 leicht verbogen wird. Sie hat dann nicht mehr überall den gleichen Abstand zur Schräg­ scheibe 7. Vielmehr ist der Abstand in der Mitte gerin­ ger als am äußeren Umfang.

Auf die Gleitschuhe wirkt die Zentrifugalkraft F_C, die versucht, die Gleitschuhe 9 nach außen zu bewegen, und eine vom Kolben 6 hervorgerufene Kraft F_(a+s), die sich aus einer Beschleunigungskraft F_a des Kolbens und einer durch die Saugdrücke hervorgerufene Kraft F_s zusammen­ setzt. Ferner wirken auf den Gleitschuh 9 die Stütz­ kräfte F_R von der Schrägscheibe 7. Diese Kräfte müssen durch die Andruckkraft F_H der Andruckplatte 10 kompen­ siert werden, um zu gewährleisten, daß die Lauffläche 30 des Gleitschuhs 9 immer parallel zur Schrägscheibe 7 geführt wird.

Solange die Andruckplatte 10 parallel zu der Schräg­ scheibe 7 ist, liegt sie auch flächig an der Schulter 23 des Gleitschuhs 9 an. Die Krafteinleitung erfolgt in diesem theoretisch gedachten und idealen Fall absolut gleichmäßig und symmetrisch, so daß sich der resultie­ rende Kraftangriffspunkt in der Mitte des Gleitschuhs 9 befindet. Biegt sich jedoch die Andruckplatte 10 durch, wandert dieser Kraftangriffspunkt radial weiter nach innen. In diesem Fall wird der radial innen liegende Teil des Gleitschuhs stärker belastet als der radial außen liegende Teil. Die Richtungsangaben sind hierbei auf die Schrägscheibe 7 bezogen. In diesem Fall kann es bei bestimmten Betriebsbedingungen vorkommen, daß der Gleitschuh 9 um einen Drehpunkt O1 kippt, d. h. sich an der radial äußeren Seite von der Schrägscheibe abhebt. Hierdurch ergibt sich ein verstärkter Verschleiß an der radial innen liegenden Seite des Gleitschuhs 9. Außer­ dem kann die hydrostatische Entlastung nicht mehr si­ chergestellt werden, weil die Hydraulikflüssigkeit durch den größeren Spalt, der radial weiter außen liegt, entweichen kann.

Beschränkt man nun die Anlagefläche der Andruckplatte 10 an die Schulter 23 des Gleitschuhs 9 aber auf einen radial weiter außen liegenden Bereich, wird dieser Er­ scheinung entgegengewirkt. Man hält den Gleitschuh 9 praktisch dort fest, wo er dazu neigt abzuheben. Selbst bei einem Durchbiegen der Andruckplatte 10 wird der Kraftangriffspunkt auf den Gleitschuh nur so weit radi­ al nach innen verschoben, daß ein Abheben oder Kippen des Gleitschuhs noch nicht zu befürchten ist. Dadurch, daß sich die radiale Begrenzung 29 der Ausnehmung 28 in dem durch die Grenzen TI und TA gebildeten Korridor befindet, wird andererseits auch verhindert, daß die radiale Begrenzung 29 zu weit nach außen verlegt wird. In diesem Fall könnte es nämlich vorkommen, daß der Gleitschuh 9 um den Drehpunkt O2 kippt, was gleicherma­ ßen unerwünscht wäre. Da aber die radiale Begrenzung 29 immer in der Nähe der Mittelpunktlinie 27 angeordnet ist, läßt sich relativ einfach immer das gewünschte Gleichgewicht erzeugen.

Die Tiefe D der Ausnehmung 28 wird danach ausgewählt, daß einerseits eine gewisse Mindesttiefe vorhanden sein muß, um die gewünschte Wirkung zu erzielen. Anderer­ seits möchte man auch nicht zuviel Material wegnehmen, um die Andruckplatte 10 nicht zu sehr zu schwächen.

Claims (7)

1. Hydraulische Axialkolbenmaschine mit axial beweg­ baren Kolben, die an ihrem einen Ende mit Hilfe von Gleitschuhen an einer Schrägscheibe abgestützt sind, und mit einer Andruckplatte zum Halten der Gleitschuhe in Anlage an der Schrägscheibe, dadurch gekennzeichnet, daß die Andruckplatte (10) nur auf einen in Radialrichtung der Schrägscheibe (7) au­ ßerhalb eines vorbestimmten Bereichs (28) liegenden Teils der Gleitschuhe (9) wirkt.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Bereich (28) zumindest annä­ hernd eine Kreisform aufweist.

3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine radial äußere Begrenzung (29) des Bereichs in einem Korridor mit einer vorbe­ stimmten radialen Ausdehnung verläuft, in dem auch die Mittelpunkte (26) von Öffnungen (11) in der Andruckplatte (10) liegen, durch die die Gleitschu­ he (9) beziehungsweise die Kolbenenden (8) hin­ durchgeführt sind.

4. Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die radial äußere Begrenzung (29) einen Abstand von den Mittelpunkten (26) der Öffnungen (11) auf­ weist, der weniger als 22% des Durchmessers der Öffnungen (11) beträgt.

5. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Bereich durch eine Ausnehmung (28) in der der Schrägscheibe (7) zugewandten Seite der Andruckplatte (10) gebildet ist.

6. Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung eine Tiefe im Bereich von etwa 1/10 mm bis etwa 3/10 mm aufweist.

7. Maschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ausnehmung (28) eine Tiefe von etwa 5% der Dicke der Andruckplatte (10) nicht übersteigt.