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Hinters rund
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schrägachsen-Axialkolbenhydraulikvorrichtung und
genauer auf eine Vorrichtung desjenigen Typs, bei dem die Antriebs-Abtriebs-Welle
("Haupt"-Welle) Gelenkpfannen
zur Aufnahme der vorderen Enden von Kolbenverbindungsstangen ausbildet.
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Wie
hier verwendet versteht sich der Begriff "Axialkolben" für
den Fachmann und umfasst eine Hydraulikvorrichtung, in der Kolben
innerhalb einer drehbaren Zylindertrommel hin und her gehen und wobei
die Achsen der Kolben mindestens im allgemeinen wechselseitig parallel
angeordnet sind. Darüber
hinaus beziehen sich die hier und in den beiliegenden Ansprüchen erfolgenden
Bezüge
auf eine Axialkolbenvorrichtung dahingehend, dass darunter solche
Vorrichtungen verstanden werden, die sowohl als Motoren wie als
Pumpen verwendet werden.
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Eine) "Schrägachsen"-Axialkolbenpumpe oder
-motor ist eine Vorrichtung, bei der die Achse der Antriebs-Abtriebs-Welle
nur dann koaxial zu der Drehachse der Zylindertrommel liegt, wenn
sich die Vorrichtung in einem Zustand mit Null Verlagerung befindet.
Das Erreichen eines Zustands mit positiver Verlagerung beteiligt
ein Verschwenken der gesamten sich drehenden Gruppe (d.h. Zylindertrommel, Kolben,
Verbindungsstangen usw.), sodass die Drehachse der sich drehenden
Gruppe einen gewissen spitzen Winkel relativ zu der Drehachse der
Antriebs-Abtriebs-Welle ausbildet. Eine derartige Axialkolbenpumpe
ist z.B. in
DE 2 818
747A1 offenbart. Wie für
den Fachmann wohlbekannt fällt
bei einem umso größeren Verlagerungswinkel
der sich drehenden Gruppe die Ausgangsströmung pro Umdrehung der Antriebs-Abtriebs-Welle
ebenfalls umso größer aus
(unter der Annahme, dass die Vorrichtung als eine Pumpe verwendet
wird).
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In
vielen Anwendungen für
Axialkolbenpumpen und -motoren ist der Schrägachsentyp bevorzugt, da der
Bereich von Anschlagswinkeln in einer Vorrichtung mit Schrägachse viel
größer als
in einer "In-line"-Axialkolbenvorrichtung ist (d.h. in
einer Vorrichtung, in der die Achsen der Welle und der sich drehenden
Gruppe koaxial bleiben und die Verdrängung durch das Kippen einer
neigbaren Schrägscheibe
variiert wird). Beispielshalber liegt die typische maximale Verlagerung
für kommerziell
verfügbare In-line-Axialkolbenvorrichtungen
in dem Bereich von etwa 20°,
während
Schrägachsen-Kolbenvorrichtungen
häufig
mit maximalen Verlagerungen in dem Bereich von etwa 45° betrieben
werden.
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Wie
für den
Fachmann wohlbekannt ist die Leckagefläche einer Axialkolbenvorrichtung
ziemlich konstant, sodass bei einer Steigerung des Anschlagswinkels
das Ausmaß an
Leckage pro Einheit Volumen abnimmt. Somit fällt mit einem umso höheren Anschlagswinkel
die gesamte Effizienz der Vorrichtung umso höher aus. Insofern trachten
viele Fachleute anhaltend nach Entwurfsverbesserungen, die eine
Erhöhung
des maximal möglichen
Anschlagswinkels von Schrägachsen-Axialkolbenvorrichtungen
ermöglichen,
was zusätzlich
einen größeren Bereich
von Durchflüssen
für eine
gegebene Einheitsgröße erlaubt.
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In
einigen für
eine relativ niedrigere Leistung ausgelegten Schrägachsen-Axialkolbenvorrichtungen
sind die Kugeln an den vorderen Enden der Kolbenverbindungsstangen
lediglich innerhalb hemisphärischer Öffnungen
in dem Flansch der Antriebs-Abtriebs-Welle aufgenommen. Allerdings
ist in für
eine relativ höhere
Leistung ausgelegten Vorrichtungen wie z.B. in solchen Vorrichtungen,
bei denen der Betriebsdruck relativ höher ist oder wo die Einheit mit
einer höheren
Drehzahl betrieben wird oder bei welchem ein Wunsch nach einer höheren Gesamtleistung
besteht, jede der Verbindungsstangenkugeln innerhalb einer Gelenkpfanne
aufgenommen, die in dem Flansch der Antriebs-Abtriebs-Welle vorgesehen
ist. Infolgedessen kann der Flansch der Antriebs-Abtriebs-Welle
hinsichtlich bestimmter Charakteristika wie z.B. der gesamten Ermüdungsfestigkeit
ausgewählt
werden, während
die Gelenkpfanne nach bestimmten Charakteristika ausgewählt werden kann,
die hinsichtlich des Eingriffs zwischen der Kugel der Verbindungsstangen
und der Gelenkpfanne wichtig sind.
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Kurze Zusammenfassung
der Erfindung
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Dementsprechend
besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung
einer Schrägachsen-Axialkolbenvorrichtung,
die einen größeren maximalen
Anschlagswinkel bewerkstelligen kann, als dies mit Vorrichtungen
vom Stand der Technik möglich
ist.
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Eine
spezifischere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der
Bereitstellung einer derartigen verbesserten Axialkolbenvorrichtung
des Typs, der für
eine Aufnahme der Kugelabschnitte der Kolbenverbindungsstangen Gelenkpfannen
verwendet.
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Die
obigen und weitere Aufgaben der Erfindung werden durch die Bereitstellung
einer Schrägachsen-Schrägachsen-Axialkolbenvorrichtung
gelöst,
die ein Gehäuse
und eine relativ zu dem Gehäuse
drehbar gelagerte Hauptwelle aufweist, die eine Drehachse ausbildet.
Eine Zylindertrommel ist innerhalb des Gehäuses drehbar angeordnet, wobei
die Zylindertrommel eine Mehrzahl von wechselseitig parallelen Zylindern
ausbildet. In jedem Zylinder ist ein Kolben zwecks einer axialen
Verlagerung hin und her bewegbar angeordnet und die Zylindertrommel
ist relativ zu der Drehachse schwenkbar innerhalb des Gehäuses montiert.
Eine Universalverbindung ist betätigbar,
um eine Drehbewegung zwischen der Hauptwelle und der Zylindertrommel
zu übertragen, wenn
die Zylindertrommel über
ihren Bewegungsbereich zwischen einer minimalen Verlagerung und
einer maximalen Verlagerung relativ zu der Drehachse hinweg schwenkt.
Es ist eine Mehrzahl von Verbindungsstangen vorgesehen, die den
Zylindern allgemein entsprechen, wobei jede Verbindungsstange eine
schwenkbare Verbindung mit einem der Kolben aufweist und einen Kugelabschnitt
hat, der schwenkbar in einer relativ zu der Hauptwelle feststehenden Gelenkpfanne
aufgenommen ist.
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Die
verbesserte Axialkolbenvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass
jede der Gelenkpfannen eine Achse ausbildet, wobei jede Achse unter
einem spitzen Winkel relativ zu der Drehachse der Hauptwelle nach
außen
ausgerichtet ist, wodurch ein Zuwachs der maximalen Verlagerung
der Zylindertrommel relativ zu der Drehachse ermöglicht wird.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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1 ist
ein Axialschnitt einer Axialkolbenvorrichtung mit Schrägachse,
die gemäß der vorliegenden
Erfindung angefertigt ist und wobei die Vorrichtung in ihrem Zustand
maximaler Verlagerung dargestellt ist.
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2 ist
ein vergrößerter fragmentarischer Axialschnitt ähnlich wie
in 1, der hauptsächlich die
sich drehende Gruppe und ihre Verbindung mit dem Flanschabschnitt
der Antriebs-Abtriebs-Welle darstellt.
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3 ist
ein weiter vergrößerter fragmentarischer
Axialschnitt, der die vorliegende Erfindung ausführlicher darstellt.
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Ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Nun
auf die Zeichnungen Bezug nehmend, welche die Erfindung nicht zu
begrenzen beabsichtigen, illustriert 1 eine allgemein
mit 11 bezeichnete Schrägachsen-Axialkolbenvorrichtung,
die für
den Fachmann im allgemeinen wohlbekannt ist und welche seit einigen
Jahren kommerziell verwendet wird, weshalb sie lediglich in demjenigen
Umfang ausführlich
beschrieben werden wird, der für
eine Beschreibung der vorliegenden Erfindung erforderlich ist.
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Die
Axialkolbenvorrichtung 11 umfasst ein Gehäuse 13,
das mit einer Endkappe 15 zusammenwirkt, um darin eine
Pumpkammer 17 auszubilden. Wie nur in 1 dargestellt
bildet die Endkappe 15 ein Paar Fluidanschlüsse 19 und 21 aus,
wobei einer der Anschlüsse
als ein Fluideinlassanschluss und der andere als ein Fluidauslassanschluss
fungieren würde.
Wenn die Vorrichtung als eine Pumpe verwendet wird, wird, was wohlbekannt
ist, durch ein Umkehren der Drehrichtung der Hauptwelle derjenige
Anschluss, der als der Einlass dient, und der als der Auslass dienende
Anschluss umgekehrt. Wenn die Vorrichtung als ein Motor benutzt
wird, wird durch ein Umkehren des jeweiligen als der Einlass bzw.
als der Auslass fungierenden Anschlusses die sich ergebende Drehrichtung
der Hauptwelle umgekehrt.
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Zu
einem vorderen Ende (rechtes Ende in 1) des Gehäuses 13 hin
ist ein zylindrischer vorderer Gehäuseabschnitt 23 angeordnet,
und darin ist ein Paar Kegelrollenlagersätze 25 und 27 vorgesehen.
Durch die Lagersätze 25 und 27 relativ
zu dem vorderen Gehäuseabschnitt 23 drehbar
gelagert befindet sich eine Antriebs-Abtriebs-(Haupt)-Welle 29. Wenn
die Vorrichtung 11 ausschließlich als eine Pumpe verwendet
werden würde,
würde die
Welle 29 lediglich eine Antriebswelle bilden, und wenn
die Vorrichtung 11 ausschließlich als ein Motor benutzt
werden würde,
würde die
Welle 29 lediglich eine Abtriebswelle bilden. Allerdings
ist die vorliegende Ausführungsform
der Vorrichtung 11 eine derartige Vorrichtung, die als
eine Pumpen-Motor-Einheit verwendet wird, d.h. dass die Einheit
unter bestimmten Bedingungen als eine Pumpe und unter anderen Bedingungen
als ein Motor fungiert. Somit wird die Welle 29 als eine "Antriebs-Abtriebs"-Welle bezeichnet.
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Das
rückwärtige Ende
(linkes Ende in 1) der Welle 29 umfasst
einen Flanschabschnitt 31. Innerhalb der Pumpkammer 17 ist
eine allgemein mit 33 bezeichnete sich drehende Gruppe angeordnet, die
in 1 in ihrem Zustand maximaler Verlagerung dargestellt
ist. Die sich drehende Gruppe 33 ist mit der Antriebs-Abtriebs-Welle 29 durch
eine Universalverbindung verbunden, die allgemein mit 35 gekennzeichnet
ist. Für
den Fachmann versteht sich, dass die Einzelheiten der Konstruktion
der Universalverbin dung 35 keinen wesentlichen Teil der
vorliegenden Erfindung bilden, abgesehen von dem Umstand, dass es
der ausgewählte
Entwurf der Universalverbindung der vorliegenden Erfindung ermöglicht,
dass diese ihr gesamtes Potenzial entfalten kann, d.h. dass die
größtmögliche Verlagerung
der Achse der sich drehenden Gruppe 33 relativ zu einer
Drehachse A der Antriebs-Abtriebs-Welle 29 bewerkstelligt
wird. Universalverbindungen, welche die oben genannte Aufgabe bewerkstelligen
können,
sind kommerziell ohne weiteres verfügbar. Müsste sich die drehende Gruppe 33 von
der in 1 dargestellten Position aus solange im Uhrzeigersinn
drehen, bis die Drehachse der sich drehenden Gruppe 33 koaxial
zu der Drehachse A der Welle 29 läge, würde dies den Zustand minimaler
Verlagerung der sich drehenden Gruppe 33 ausbilden. In
dem Zustand minimaler Verlagerung liegt im Wesentlichen keinerlei
Strömungsausgang
von der Vorrichtung (wenn diese als eine Pumpe benutzt wird) pro
Umdrehung der Welle 29 vor.
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Nun
hauptsächlich
auf 2 Bezug nehmend wird die sich drehende Gruppe 33 ausführlich beschrieben
werden. Die sich drehende Gruppe 33 umfasst eine Zylindertrommel 37,
die eine Mehrzahl von wechselseitig parallelen Zylindern 39 ausbildet. Jedoch
ist es für
den Fachmann auf dem Gebiet von Axialkolbenpumpen-Motoren wohlbekannt,
die Zylinder unter einem spitzen Winkel relativ zu der Drehachse
der Zylindertrommel 37 auszurichten, wobei eine derartige
Anordnung hier in der Definition eines "Axialkolbens" eingeschlossen wird. An dem rückwärtigen Ende
der Zylindertrommel 37 (das linke Ende in 2)
ist eine Endplatte 41 angeordnet, die in einem festen fluidabdichtenden
Eingriff mit der benachbarten Endfläche der Zylindertrommel 37 gehalten
wird. Jeder Zylinder 39 endet an seinem rückwärtigen Ende
benachbart zu der Endplatte 41 in einem Fluidanschluss 43.
Auf eine dem Fachmann wohlbekannte Weise steht jeder der Anschlüsse 43 mit
einem der Fluidanschlüsse 19 oder 21 in
Verbindung, wenn sich die Zylindertrommel 37 dreht.
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In
jedem der Zylinder 39 ist für eine hin und her gehende
Bewegung ein Kolbenbauteil 45 angeordnet. Jedes Kolbenbauteil 45 bildet
eine allgemein hemisphärische
Vertiefung aus, die einen rückwärtigen Kugelabschnitt 47 einer
Verbindungsstange 49 aufnimmt. Ebenfalls weist jede Verbindungsstange 49 einen
vorderen Kugelabschnitt 51 auf. Obgleich für die vorliegende
Erfindung nicht wesentlich bildet jede der Verbindungsstangen 49 auf
eine dem Fachmann wohlbekannte Weise einen sich axial erstreckenden
Fluiddurchlass 53 aus, der nutzbar ist, um unter Druck
stehendes Fluid für
Schmierzwecke von einer durch das Kolbenbauteil 45 ausgebildeten
unter Druck stehenden Kammer zu übertragen.
Das durch den Fluiddurchlass 53 fließende Schmierfluid dient zur
Schmierung der Außenfläche des
vorderen Kugelabschnitts 51, wenn dieser relativ zu einer
Gelenkpfanne 55 geschwenkt wird (siehe 3).
Jede Gelenkpfanne 55 ist in einer allgemein zylindrischen abgestuften
Bohrung 56 aufgenommen, die in dem Flanschabschnitt 31 ausgebildet
ist.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
und lediglich beispielshalber ist jede der Gelenkpfannen 55 aus
einer Bronzelegierung gefertigt, die sich für einen Schwenkeingriff mit
dem Kugelabschnitt 51 unter Belastung eignet und zugleich
gute Verschleißcharakteristika
aufweist. Vorzugsweise ist das hier als "57" bezeichnete Schwenkzentrum des Kugelabschnitts 51 axial
nach vorne unter einem Abstand "D" zu einer Ebene 59 versetzt
angeordnet, die den (hier nicht spezifisch dargestellten) Scheitelpunkt
aufweist, bei dem die Drehachse A der Welle 29 die Drehachse der
Zylindertrommel 37 schneidet. Es hat sich gezeigt, dass
die oben beschriebene versetzte Beziehung hilfreich ist, um den
maximalen Verlagerungswinkel der Vorrichtung zu erhöhen.
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Gemäß einem
wichtigen Aspekt der Erfindung und wie am einfachsten anhand 3 ersichtlich
bildet jede der Gelenkpfannen 55 eine Achse 61 aus,
die unter einem relativ zu der Drehachse A der Hauptwelle 29 nach
außen
weisenden Winkel ausgerichtet ist, und die in 3 durch
die Achsenlinie A (die parallel zu der Drehachse A der Hauptwelle 29 verläuft) dargestellt
ist. In der vorliegenden Ausführungsform
und lediglich beispielshalber wirken die Achse 61 der Gelenkpfanne 55 und
die Achsenlinie A zusammen, um einen eingeschlossenen Winkel in dem
Bereich von etwa 4° bis
zu etwa 8° und
spezifisch in 3 von etwa 6° auszubilden. Für den Fachmann
verstellt sich dabei anhand dieser Beschreibung, dass der spezifische
Winkel zwischen der Achse 61 und der Achsenlinie A von
dem jeweiligen Entwurf der Axialkolbenvorrichtung 11 abhängt.
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Im
Zusammenhang mit der Entwicklung der vorliegenden Erfindung hat
sich gezeigt, dass eine nach außen
weisende Ausrichtung der Gelenkpfannen 55 wie in 3 dargestellt
einen größeren maximalen
Verlagerungswinkel der sich drehenden Gruppe 33 erlaubt,
als dies möglich
wäre, wenn
die Gelenkpfanne parallel zu der Drehachse A der Hauptwelle 29 verbliebe.
Somit hat die Verwendung der vorliegenden Erfindung gezeigt, dass
eine maximale Verlagerung in dem Bereich von etwa 45° bis zu etwa 60° erleichtert
wird. Es sollte sich verstehen, dass nur dann, wenn jeder Kolben 45 und
seine Verbindungsstange 49 die in 3 dargestellte
Position des "oberen
Totpunkts" erreicht
(wobei sich das Kolbenbauteil 45 in seiner vollständig eingefahrenen
("voll eingezogenen") Position befindet),
die winkelige Gelenkpfanne 55 diesbezüglich einen Vorteil bietet,
als dass ein größerer Anschlagswinkel
der Vorrichtung und somit die zuvor beschriebene höhere Effizienz
ermöglicht wird.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
der Erfindung hat sich gezeigt, dass der maximale Winkel für die Achsen 61 der
Gelenkpfannen 55 etwa 6° beträgt. Jeder
größere Winkel
für die
Achsen 61 würde zu
einer Interferenz zwischen jeder Verbindungsstange 49 und
ihrer jeweiligen Gelenkpfanne 55 bei der Zentralstellung
des unteren Totpunkts führen,
d.h. bei der Stellung der Verbindungsstange 49 an der Oberseite
der 2, bei der das jeweilige Kolbenbauteil am weitesten
ausgefahren wird ("voll
ausgezogen"), was
wohlbekannt ist.
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Bei
der Entwicklung der vorliegenden Erfindung ist bestimmt worden,
dass wenn die Achsen 61 der Gelenkpfannen 55 gemäß dem Stand
der Technik parallel zu der Drehachse A angeordnet werden, der maximal
mögliche
Anschlagswinkel der Vorrichtung 50° beträgt. Wenn die Achsen 61 jedoch
unter einem Winkel von 6° wie
in 3 dargestellt angeordnet werden und keine anderen Änderungen
bezüglich
der Vorrichtung erfolgen, könnte
der Anschlagswinkel der Vorrichtung auf 54° erhöht werden.
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Die
Erfindung ist in der obigen Beschreibung ausführlich erläutert worden und es wird davon
ausgegangen, dass sich für
den Fachmann daraus verschiedene Abänderungen und Modifikationen
der Erfindung ergeben. Es ist beabsichtigt, dass sämtliche derartigen
Abänderungen
und Modifikationen in der Erfindung eingeschlossen sind, sofern
sie in den Rahmen der beiliegenden Ansprüche fallen.