DE4441449A1 - Hydrostatische Maschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine hydrostatische Maschine, insbeson­ dere eine Axialkolben- oder Radialkolbenmaschine, die als Pumpe oder Motor einzusetzen ist.

Aufgrund der hohen Anforderungen, die an diese Maschinen ge­ stellt werden, treten verstärkt Probleme während des Umsteuer­ vorganges auf, also wenn die Steueröffnungen der Kolbenbohrungen der Zylindertrommel von der mit der Hochdruckseite verbundenen Steuerniere zu der mit der Niederdruckseite verbundenen Steuer­ niere der Steuerplatte überwechseln und umgekehrt. Während die­ ser Umsteuerphase treten Kavitation, Druckpulsation erhöhte Ge­ räuschemission, Abriß der Ölsäule im Ansaugbereich und unvoll­ ständige Füllung der Kolbenbohrungen der Zylindertrommel bei ho­ hen Drehzahlen sowie hohe volumetrische Verluste durch Austritt des Arbeitsmittels zwischen den Steueröffnungen der Kolbenboh­ rungen der Zylindertrommel und der Steuerplatte auf. Zur Besei­ tigung dieser Mängel werden verschiedene Maßnahmen zur Beein­ flussung des Umsteuervorganges getroffen, wie Verdrillung des Steuerspiegels, Verkantung der Schrägscheibe bzw. der Schwenk­ wiege oder Anordnung von Steuerkerben bzw. Hilfsbohrungen ausge­ hend von den Steuernieren in Richtung des Überdeckungsbereiches zwischen den Steuernieren. Durch diese bekannte Maßnahmen läßt sich in der Regel immer nur ein Mangel bei bestimmten Be­ triebsparametern wie Betriebsdruck und Maschinendrehzahl besei­ tigen bzw. auf ein Minimum zurückführen. Die Folge davon ist, daß je nach Anforderungen an die hydrostatischen Maschinen eine Vielzahl von Steuerplattenausführungen auf Lager gehalten werden müssen. Hinzu kommt, daß bei weitgehender Beseitigung eines Man­ gels in der Regel andere Mängel in erhöhtem Maße auftreten kön­ nen. So werden beispielsweise erhöhte Geräusche auf Kosten der volumetrischen Verluste beseitigt oder die Verbesserung der Vo­ lumetrie auf Kosten auftretender Kavitation und umgekehrt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, mit einfachen Mitteln die vorgenannten Mängel von hydrostatischen Maschinen weitgehend zu unterbinden. Nach der Erfindung erfolgt dies mit den kenn­ zeichnenden Merkmalen des Anspruches 1.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprü­ chen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von zwei Ausfüh­ rungsbeispielen.

Es zeigen

Fig. 1 einen Querschnitt einer Axialkolbenmaschine im Bereich der Zylindertrommel mit Steuer- und Anschlußplatte,

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine Draufsicht in Richtung A der Steuerplatte in Fig. 1,

Fig. 4 eine Draufsicht in Richtung B der Zylindertrommel nach Fig. 1 und

Fig. 5 einen Axialschnitt einer Radialkolbenmaschine.

In Fig. 1 ist mit 1 die Zylindertrommel bezeichnet, die über eine Verzahnung 2 in der Durchgangsbohrung 10 mit der Welle 3 drehfest verbunden ist. Die Zylindertrommel weist leicht zur Drehachse 3a hin geneigte Bohrungen 4 zur Aufnahme der Kolben 5 auf, die in in den Bohrungen 4 eingebrachten Führungsbüchsen 6 geführt sind. Die aus den Bohrungen 4 herausgeführten Enden 5a der Kolben sind kalottenförmig ausgebildet und in entsprechend ausgebildeten Ausnehmungen 7 von Gleitschuhen 8 sphärisch gela­ gert. Die Gleitschuhe 8 stützen sich auf einer feststehenden, aber schwenkbaren Schrägscheibe bzw. Schwenkwiege 9 ab, deren Schwenkwinkel gegenüber der Senkrechten 9a zur Wellenachse 3a den Kolbenhub festlegt. In der gezeigten Lage der Schrägscheibe bzw. Schwenkwiege beträgt deren Schwenkwinkel null Grad, so daß die Kolben keinen Hub ausführen. Erst wenn die Schrägscheibe aus dem Null-Bereich heraus verschwenkt wird, wird ein Kolbenhub er­ zielt und damit ein Pumpen- oder Motorbetrieb ermöglicht. Die die Kolben aufnehmenden Bohrungen 4 der Zylindertrommel sind an ihrem der Schrägscheibe abgewandten Ende zu Steuerbohrungen 4a verengt, die mit Steuernieren 12, 13 (Fig. 3) der feststehenden Steuerplatte 14 zusammenarbeiten. Die Steuernieren stehen über Ausnehmungen 12a, 13a auf der gegenüberliegenden Seite der Steu­ erplatte 14 mit Zu- bzw. Abführöffnungen 15 für die Arbeitsflüs­ sigkeit der Anschlußplatte 16 in Verbindung. Um ein Abheben der Zylindertrommel 1 von der Steuerplatte während der Inbetrieb­ nahme zu unterbinden, ist ein unter Vorspannung stehendes Feder­ tellerpaket 19 zwischen der Stirnfläche 20 einer hülsenförmigen Verlängerung 1a der Zylindertrommel und einem die Axialkräfte aufnehmenden Abstützkörper 21 vorgesehen. Der Abstützkörper stützt sich seinerseits über seine sphärisch ausgebildet Außen­ fläche 21a an einem Zwischenring 25 ab, der sich wiederum mit einer Anschlagfläche 25 an eine Gegenfläche 8c der Gleitschuhe 8 abstützt. Während des Betriebes wird die Zylindertrommel vom in den von den Kolben 5 begrenzten Arbeitsräumen 23a auftretenden Pumpen- bzw. Arbeitsdruck in Richtung der Steuerplatte gedrückt, da die Steuerbohrungen 4a einen kleineren Durchmesser aufweisen als die Kolben 5 und demgemäß die daraus resultierende Diffe­ renzfläche eine wirksame Druckfläche für das Arbeitsmedium bil­ det und sich daraus eine in Richtung der Steuerplatte wirkende Druckkraft ergibt. Zur Verringerung der mechanischen Gleitrei­ bung zwischen Gleitschuhe und Schrägscheibe weisen die Gleit­ schuhe 8 Druckflächen 8a auf, die über eine Verbindungsbohrung 8b sowie jeweils über eine Axialbohrung 22 in den Kolben 5 mit den von den Kolben begrenzten Arbeitsräumen 23 in Verbindung stehen und damit auch unter den in den Arbeitsräumen vorherr­ schenden Druck. Um ein Abheben der Gleitschuhe von der Schräg­ scheibe unabhängig von der Kraft des Federpaketes 19 zu unter­ binden, muß die Druckfläche 8a kleiner sein als die dem Arbeits­ druck ausgesetzte Querschnittsfläche der Kolben 5. Die Schwenkachse der Schrägscheibe 9, die den oberen und unteren Totpunkt der Kolbenhübe festlegt, und die Steuerplatte 14 mit Steuernieren 12, 13 sind so zueinander angeordnet, daß sich die Steuerbohrungen 4a in der Zylindertrommel im oberen und unteren Totpunkt der Kolben jeweils zwischen den beiden Steuernieren der Steuerplatte befinden, und zwar mit einer positiven Überdeckung nach jeder Steuerniere hin. Die Steuerbohrungen 4a stehen über Drosselbohrungen 30 in der Zylindertrommel 1 mit einem wellensei­ tigen Ringkanal 28 in Verbindung (Fig. 1 und 2) der von einem eine Ringnut 35a aufweisen Ringkörper 35 und einem Bohrungsab­ satz 1b der Zylindertrommel, in dem der Ringkörper 35 eingepreßt ist, gebildet ist. In dem Ringkanal 28 befindet sich mit radia­ lem Spiel ein elastischer Ring 29, dessen äußerer Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser des die Mündungsstellen 30c der Drosselbohrungen 30 aufweisenden Bohrungsabsatzes 1a. Der innere Durchmesser des Ringes ist größer als der Durchmesser des Nuten­ grundes 35b der Ringnut. Während des Betriebes steht der Ringka­ nal 28 jeweils über die mit der Hochdruckseite der Maschine in Verbindung stehenden Drosselbohrungen 30b unter Hochdruck. Die mit der Niederdruckseite der Maschine in Verbindung stehenden Drosselbohrungen 30a (Fig. 2) werden infolge der an diesen wir­ kenden Druckdifferenz zwischen Ringkanal und Steuerbohrungen von dem elastischen Ring 29 geschlossen. Die Mündungsstellen 30c der Drosselbohrungen sind leicht kegelig erweitert, um einen zeit­ lich gestreckten Öffnungs- und Schließvorgang zu erhalten. Durch dieses Ventilsystem ist sichergestellt, daß während der Umsteu­ erphase vom Hochdruck- zum Niederdruck keine ins Gewicht fallende und den Arbeitsbetrieb der Maschine beeinträchtigenden Druckspitzen infolge Nachkompression in den betreffenden Kolben­ bohrungen der Zylindertrommel auftreten können. Außerdem werden die betreffenden Drosselbohrungen im Umsteuerbereich 24 (Fig. 3) von dem elastischen Ring erst geschlossen, wenn sie infolge des beginnenden Saughubes der Kolben der Druck in der betreffen­ den Kolbenbohrung um einen solchen Betrag abgebaut hat, daß an der Drosselbohrung ein Druckgefälle wirksam ist, die ein Schlie­ ßen derselben durch den Ring 29 herbeiführt. Dieser Druckabbau findet noch im Umsteuerbereich 24 der Steuerplatte statt, so daß bei der anschließenden Verbindung der Steuerbohrung 4a mit der niederdruckseitigen Steuerniere auch auf der Niederdruckseite keine ins Gewicht fallende Druckpulsation auftreten kann. Bei Pumpenbetrieb läßt sich gleichzeitig sicherstellen, daß die Ver­ bindung der betreffenden Steuerbohrung mit der Niederdruck- bzw. Saugseite zu einem Zeitpunkt stattfindet, in der der Druck in der betreffenden Kolbenbohrung noch über den Druck der Nieder­ druckseite liegt, so daß eine unvollständige Füllung der Kolben­ bohrung infolge erhöhten Unterdruckes und eine damit verbundene Kavitation im Steuerbereich wirkungsvoll zu unterbinden ist.

In Fig. 5, die eine Radialkolbenmaschine im Axialschnitt zeigt, erstreckt sich der Ringkanal 28′ in radialer Richtung und die Drosselbohrungen 30c′ zwischen Steuerbohrungen 4a′ und Ringkanal 28′ verlaufen parallel zur Drehachse A der Zylindertrommel 1′. In diesem Fall ist der elastische Ring der die Drosselbohrungen abschließt oder öffnet als leicht kegelige Scheibe 29′ ausgebil­ det, die mit radialem und axialem Spiel in dem Ringkanal 28′ an­ geordnet ist. Der Ringkanal 28′ wird von einem Bohrungsabschnitt 1b′ im Zylinderkörper 1′ gebildet, der in axialer Richtung von einer Scheibe 40 und in wellenseitiger Richtung von einer hül­ senförmigen Verlängerung 41 der Scheibe 40 begrenzt ist. Die Scheibe 40 und deren in einer weiteren wellenseitigen Ausnehmung 1c′ im Zylinderkörper 1′ eingreifende hülsenförmige Verlängerung 41 sind flüssigkeits- und druckdicht in die entsprechenden Aus­ nehmungen 1b′, 1c′ im Zylinderkörper 1′ eingepreßt und durch einen in der Ausnehmung 1b′ zusätzlich eingelassenen Sprengring 42 in Axialrichtung abgesichert. Die Funktionsweise dieses Ven­ tilsystems ist das gleiche wie bei der Axialkolbenmaschine gemäß den Fig. 1 bis 4.

Der Ring 29 bzw. die Scheibe 29′ bestehen aus Beryllium-Bronze oder Federstahl. Der Ring 29 ist ungeteilt in die Ringnut 35a des Ringkörpers 35 eingebracht. Das Material Beryllium-Bronze besitzt hohe Festigkeit und ist gleichzeitig leicht zu bearbei­ ten. Ferner ist dieses Material korrosionsfest.

Das vorgeschlagene Ventilsystem zum gezielten Schließen und Öff­ nen der sich jeweils zwischen den beiden Steuernieren befindli­ chen Steuerbohrung der Zylindertrommel mit der Hoch- und Nieder­ druckseite erfordert keine zusätzlichen Maßnahmen an der Steuer­ platte zur Unterbindung der vorgenannten Mängel wie Kavitation, Druckpulsation, erhöhte Geräuschemission, unvollständige Füllung der Kolbenbohrungen der Zylindertrommel sowie hohe volumetrische Verluste. Das Ventilsystem arbeitet auch weitgehend unabhängig von der Drehzahl und dem Betriebsdruck der hydrostatischen Ma­ schine.

Claims (5)

1. Als Pumpe oder Motor arbeitende hydrostatische Ma­ schine, bei der im Umsteuerbereich von der Hoch- zur Nieder­ druckseite und umgekehrt in einem begrenzten Bereich eine ge­ drosselte Verbindung des betreffenden Kolbenraumes der Zylinder­ trommel mit der Hochdruck- und Niederdruckseite besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenräume (23) über Drosselbohrungen (30) mit einer Druckausgleichskammer (28) in Verbindung stehen und ein vom Hochdruck gesteuertes Ventilsystem (29) jeweils die Drosselbohrungen (30a) verschließt, deren zugeordnete Kolben­ räume mit der Niederdruckseite verbunden sind, im Übergangsbe­ reich (24) vom Hoch- zur Niederdruckseite die betreffende Dros­ selbohrung verschließt, sobald sich nach Überfahren des Totpunk­ tes im zugeordneten Kolbenraum ein Druckabbau bestimmter Größer einstellt und im Übergangsbereich (24) von der Nieder- zur Hoch­ druckseite die betreffende Drosselbohrung öffnet, sobald sich nach Überfahren des Totpunktes im zugeordneten Kolbenraum ein bestimmter Druck aufgebaut hat.

2. Hydrostatische Maschine nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Drosselbohrungen (30) zwischen den mit den Kolbenräumen (23) verbundenen mit der die Steuernieren (12, 13) aufweisenden Steuerplatte (14) zusammenwirkenden Steueröffnungen (4a) und einem an der Zylindertrommel (1) ausgebildeten gemein­ samen Ringkanal (28, 28′) vorgesehen sind und von einem mit Spiel in dem Ringkanal befindlichen elastischen Ring (29, 29′) als Ventilkörper zu öffnen und zu schließen sind.

3. Hydrostatische Maschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkanal (28) von einer Ringnut (35a) eines in einem wellenseitigen Bohrungsabsatz (1b) der Zy­ lindertrommel (1) eingepreßten Ringkörper (35) gebildet ist.

4. Hydrostatische Maschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkanal (28′) von einem stirn­ seitigen Bohrungsabschnitt (1b′) der Zylindertrommel (1′) und einer den Bohrungsabschnitt nach außen begrenzenden Scheibe (40) mit einem den Ringkanal wellenseitig begrenzenden hülsenförmigen Fortsatz (41) gebildet ist und eine in den Ringkanal einge­ brachte als Ventilkörper wirkende leicht kegelig ausgebildet Scheibe, die auf einer ebenen des Bohrungsabschnittes liegenden Mündungsstellen (30c′) der Drosselbohrungen öffnet oder schließt.

5. Hydrostatische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der als Ring (29) oder Scheibe (29′) ausgebildete Ventilkörper aus Beryllium-Bronze oder Federstahl besteht.