DE69018532T2

DE69018532T2 - Schrägwellen-Hydraulikmaschine mit veränderlicher Verdrängung.

Info

Publication number: DE69018532T2
Application number: DE69018532T
Authority: DE
Inventors: Yoshimichi Akasaka; Yasuharu Gotoh; Ichiro Nakamura
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1989-07-15
Filing date: 1990-07-12
Publication date: 1995-09-07
Anticipated expiration: 2010-07-13
Also published as: DE69018532D1; KR940007755B1; EP0409084A3; EP0409084A2; JPH0347482A; US5094144A; KR910003258A; EP0409084B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine hydraulische Maschine mit variablem Schluck- oder Fördervolumen mit geneigter Achse gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 2. Eine solche hydraulische Maschine ist aus der EP-A-0 257 621 be kannt. Sie eignet sich für die Verwendung als hydraulische Pumpe, als hydraulischer Motor und dergleichen, insbesondere aber als hydraulische Maschine mit variablem Schluck- oder Fördervolumen, bei der eine drehbare Welle teilweise und/oder ganz von hydrostatischen Lagern gelagert wird.
Im allgemeinen weist eine hydraulische Pumpe mit geneigter Achse eine Antriebsscheibe auf einer drehbaren Welle auf, die über Kolben mit einem Zylinderblock verbunden ist, wobei die Kolben im Zylinderblock hin und her beweglich angeordnet sind. Daher werden in dem Fall, in dem die hydraulische Maschine mit geneigter Achse als hydraulische Pumpe Verwendung findet, die hydraulischen Gegenkräfte, die an den Kolben in einem Auslaßtakt hochdruckseitig angreifen, von der drehbaren Welle über die Antriebsscheibe aufgefangen. Ähnlich werden bei Verwendung als hydraulischer Motor die hydraulischen Gegenkräfte, die an den Kolben in einem Ansaug(Zuführ)takt hochdruckseitig angreifen, von der drehbaren Welle über die Antriebsscheibe aufgenommen.
Infolgedessen ist bei einer solchen hydraulischen Maschine mit geneigter Achse die drehbare Welle radialen Lasten und Schüben durch die hydraulischen Gegenkräfte unterworfen, so daß die Welle so angeordnet sein muß, daß sie diese Lasten in geeigneter Weise aufnehmen kann.
In diesem Zusammenhang war es beim Stand der Technik allgemeine Praxis, sich entweder der sogenannten mechanischen Lagerung, bei der die Drehwelle drehbar auf die radialen Lasten und Schübe aufnehmenden Kugel- oder Rollenlagern gelagert wurde, der teilweise hydrostatischen Lagerung, bei der die radiale Last oder die Schublasten durch Rollen- oder Kugellager aufgenommen wurden, während alle anderen Lasten durch hydrostatische Lager aufgefangen wurden, oder aber sich der vollständigen hydrostatischen Lagerung zu bedienen, bei der sämtliche Lasten hydraulisch mit Hilfe von hydrostatischen Lagern aufgefangen wurden.
Die japanische Offenlegungsschrift 60-224981 beschreibt beispielsweise unter diesen verschiedenen Formen der Wellenlagerung eine hydraulische Maschine, bei der eine Welle teilweise hydrostatisch gelagert ist: eine drehbare Welle ist auf einem hydrostatischen Schublager gelagert, das aus einem stationären Lager und einem beweglichen Lager besteht, wobei das bewegliche Lager mit Federn in einem äußeren Ring versehen ist, um der Schublast entgegenzuwirken, der die drehbare Welle unterworfen ist, sowie aus Kolben, die an der Seite des äußeren Rings angeordnet sind, um einen Druck in derselben Richtung wie die Federn zu erzeugen, und die mit Drucköl aus dem Hochdruckölbereich im Zylinderblock beaufschlagt werden.
Dagegen ist eine hydraulische Maschine, bei der eine Welle ausschließlich hydrostatisch gelagert ist, in der japanischen Offenlegungsschrift 59-131776 beschrieben, die mit einer Radiallast-Lagerhülse und einer Schublast-Lagerplatte in einem Gehäuse, in Kombination mit einem Antriebsflansch, versehen ist, der beweglich zwischen der Lagerhülse und der Lagerplatte angeordnet ist, um auch als Antriebsscheibe zu dienen. Der Antriebsflansch ist an einer Endfläche fest mit einer drehbaren Welle verbunden, während das andere Ende mit Kolben verbunden ist. Ferner sind zwischen der äußeren Umfangsfläche des Antriebsflansches und der Lagerhülse eine Reihe von ein hydrostatisches Radiallager bildenden Druckkammern definiert, und an einer Endfläche des Antriebsflansches sind mehrere Antriebsschuhe vorgesehen, die ein hydrostatisches Schublager darstellen. Die genannten Kolben und Antriebsflansche weisen Öldurchlässe für die unabhängige Zufuhr von unter hohem Druck stehendem Öl in die hydrostatischen Radial- bzw. Schublager aus den entsprechenden Zylindern auf, um so die Radial- und Schublasten hydrostatisch aufzufangen.
Bei Verwendung der hydraulischen Maschine mit variablem Schluck- oder Fördervolumen mit geneigter Achse als hydraulischer Pumpe werden die hydraulischen Gegenkräfte, von denen die Kolben im Hochdruckbereich während des Auslaßtakts beaufschlagt werden, von der drehbaren Welle über die Antriebsscheibe aufgefangen. In diesem Fall befindet sich der Wirkungspunkt der aus solchen hydraulischen Gegenkräften resultierenden Kraft in einer exzentrischen Position zu der Achse der drehbaren Welle. Darüber hinaus verändern sich mit der Rotation des Zylinderblocks die Positionen und die Anzahl der Kolben im Hochdruckbereich, so daß sich mit dieser Rotation des Zylinderblocks auch der geometrische Ort des Wirkungspunktes der aus den hydraulischen Gegenkräften resultierenden Kraft ändert, im allgemeinen als "∞" erscheinend. Daher wird der Mittelpunkt des geometrischen Ortes der aus den hydraulischen Gegenkräften resultierenden Kraft im allgemeinen als Wirkungspunkt der mittleren hydraulischen Gegenkraft bezeichnet. Bei Verwendung der hydraulischen Maschine mit geneigter Achse als hydraulischer Motor nimmt der Wirkungspunkt der aus der hydraulischen Gegenkraft resultierenden Kraft darüber hinaus eine unterschiedlich entfernte Position von der Achse der drehbaren Welle ein.
Aufgrund der Tatsache, daß sich der Wirkungspunkt der aus der hydraulischen Gegenkraft resultierenden Kraft an einer von der Achse der drehbaren Welle entfernten Stelle befindet, ist die Antriebsscheibe nicht nur Radial- und Schublastkomponenten unterworfen, sondern auch den durch die Radial-und Schublastkomponenten hervorgerufenen Drehmomenten.
Demgegenüber wird bei einer hydraulischen Maschine mit geneigter Achse nach dem Stand der Technik gemäß der vorstehend genannten japanischen Offenlegungsschrift 59-131776 ein hydrostatisches Radiallager dadurch wirksam, daß es Öl unter hohem Druck von den Kolben in entsprechende Druckkammern fördert, die um 90º versetzt, je nach der Gesamtzahl der Kolben, zwischen dem Antriebsflansch und der Lagerhülse ausgebildet sind. Ein hydrostatisches Schublager wird dadurch wirksam, daß Öl unter hohem Druck von den Kolben zu entsprechenden Antriebsschuhen mit Druckkammern gefördert wird, die an dem Antriebsflansch in Abhängigkeit von der Gesamtzahl der Kolben angeordnet sind, wodurch die Radial- und Schublasten sowie das Drehmoment um die drehbare Welle aufgefangen werden. Tatsache ist, daß die herkömmlichen hydrostatischen Radial- und Schublager eine Lastaufnahmekapazität nur in den Bereichen an der Seite des Wirkungspunktes der aus der hydraulischen Gegenkraft resultierenden Kraft aufweisen, an der Öl unter hohem Druck von den Kolben gefördert wird, nicht dagegen in den Bereichen, die vom Wirkungspunkt entfernt liegen, oder in den Bereichen, in denen kein mit hohem Druck beaufschlagtes Öl gefördert wird.
Die vorstehend beschriebene hydraulische Maschine des Standes der Technik muß jedoch die um die drehbare Achse auftretenden Radial- und Schubkräfte sowie das Drehmoment nicht nur über das hydrostatische Lager in den wirkungspunktseitigen Bereichen sondern auch über das hydrostatische Lager in den vom Wirkungspunkt entfernten Bereichen aufnehmen.
Infolgedessen ergibt sich ein Ungleichgewicht zwischen einem wirkungspunktseitig vorgesehenen hydrostatischen Lager mit Lastaufnahmekapazität und einem hydrostatischen Lager ohne Lastaufnahmekapazität, das sich an der vom Wirkungspunkt entfernten Seite befindet, so daß es zu ungleich dicken Ölfilmbildungen auf den Gleitoberflächen des Antriebsflansches und der Antriebsschuhe kommt. Dadurch gelangen die Gleitoberflächen in den vom Wirkungspunkt entfernten Bereichen mit Metall in Berührung, was zu einem örtlich beschleunigten Abrieb der Gleitoberflächen und einem vermehrten Auftreten von Lecks führt.
Insbesondere in dem Fall, in dem die Gleitoberflächen des hydrostatischen Radiallagers, wie die äußeren Umfangsflächen des Antriebsflansches, die als Antriebsscheibe dienen, oder die inneren Umfangsflächen der Lagerhülse über einen langen Zeitraum einem Abrieb unterliegen, vergrößeren sich die Abstände zwischen diesen Flächen, wodurch sowohl instabile radiale Vibrationen des Antriebsflansches als auch die Vibrationen aufgrund der Berührung zwischen Kolben und Zylinderblock begünstigt werden. Dadurch entsteht das Problem, daß die Kolben aufgrund des starken Abriebs an den Berührungsstellen einer erhöhten Beanspruchung durch diese Berührung unterliegen.
In der EP-A-0 257 621 ist ein hydrostatisches Schublager zur Verwendung in Axialkolbenmaschinen offenbart. Es umfaßt eine in eine Gehäuseabdeckung eingepaßte Lagerhülse für die drehbare Aufnahme einer Antriebswelle über ein Lager, sowie eine Anzahl hydrostatischer Flecken. Diese hydrostatischen Flekken sind an Stellen angeordnet, welche zu einer Achse symmetrisch sind, die in einem Querschnitt senkrecht zur Antriebswelle liegt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile des Standes der Technik auszuräumen und eine hydraulische Maschine mit einer hydrostatischen Lagerung verfügbar zu machen, durch die im Betrieb eine hohe Stabilität und ein zuverlässiges Arbeiten erzielt werden kann, indem sowohl allmählich auftretende Abriebserscheinungen in radialer Richtung als auch Leckströme unterbunden werden.
Diese Aufgabe wird mit den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Abhängige Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.
Erfindungsgemaß ist eine hydraulische Maschine mit variablem Schluck- oder Fördervolumen mit geneigter Achse vorgesehen, die folgendes aufweist: ein zylindrisches Gehäuse mit einem Kopfgehäuse mit Ansaug- und Auslaßleitungen; eine drehbare Welle, die drehbar in das Gehäuse eingesetzt ist und an ihrem, entfernt gelegenen, im Gehäuse befindlichen Ende eine Antriebsscheibe hat; einen Zylinderblock, der sich im Gehäuse befindet und der mehrere axiale, zylindrische Bohrungen aufweist; mehrere Kolben, die sich hin und her beweglich in den zylindrischen Bohrungen im Zylinderblock befinden und jeweils an ihrem einen Ende in der Antriebsscheibe verschwenkbar gehaltert sind; eine Ventilplatte, die zwei Ansaug- und Auslaßanschlüsse aufweist und deren eine Endfläche sich in Gleitberührung mit dem Zylinderblock und deren andere Endfläche sich abwinkelbar in Gleitberührung mit einer Abwinkelgleitoberfläche am Kopfgehäuse befindet; einen Abwinkelmechanismus zum Abwinkeln der Ventilplatte zusammen mit dem Zylinderblock; ein hydrostatisches Radiallager, das zwischen der Antriebsscheibe und dem Gehäuse vorgesehen ist, um Radiallasten hydraulischer Gegenkräfte, die als radiale und als Schub wirkende Kräfte an der Antriebsscheibe angreifen, aufzufangen; und eine Ölleitung, um Öldruck über jeweils denjenigen der paarweise vorgesehenen Ansaug- bzw. Auslaßanschlüsse, der sich auf der Hochdruckseite befindet, dem hydrostatischen Radiallager zuzuführen bzw. von diesem abzuführen. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das hydrostatische Radiallager in einer Position zum Ausgleichen eines Drehmoments vorgesehen ist, das um die drehbare Welle in Relation zum Wirkungspunkt der aus der mittleren hydraulischen Gegenkraft resultierenden Kraft auftritt, die auf die Antriebsscheibe in radialer Richtung wirkt.
Die hydraulische Maschine kann ferner folgendes aufweisen: eine Antriebsscheibe mit U-förmigem Querschnitt und einem Scheibenbereich, um die Kolben abwinkelbar zu halten, sowie einen hohlzylindrischen Bereich, der sich aus dem Scheibenbereich vom Zylinderblock fort erstreckt; ein Haltebauteil zum drehbaren Halten der genannten drehbaren Welle in der Nähe eines Endes des Gehäuses und in einem Bereich, der zwischen dem Traglagerbereich der drehbaren Welle und der Antriebsscheibe mit U-förmigem Querschnitt definiert ist; und ein hydrostatisches Radiallager zwischen dem Außenumfang des genannten Haltebauteils und dem Innenumfang des hohlzylindrischen Bereichs der Antriebsscheibe.
Alternativ kann die Maschine eine kreisförmige plattenartig ausgebildete Antriebsscheibe zum abwinkelbaren Halten der Kolben und ein hydrostatisches Radiallager zwischem dem Außenumfang der Antriebsscheibe und dem Innenumfang des Gehäuses aufweisen.
Ferner sind mehrere hydrostatische Radiallager vorgesehen, die bezüglich einer x-Achse und einer y-Achse angeordnet sind, die die Achse der drehbaren Welle rechtwinklig schneiden, wobei ein erstes hydrostatisches Radiallager, das sich auf der einen Seite des Wirkungspunktes der sich ergebenden Kraft der mittleren hydraulischen Gegenkraft und unterhalb der x-Achse sowie außerhalb des Verschiebungsbereichs des Wirkungspunkts der sich ergebenden Kraft der mittleren hydraulischen Gegenkraft befindet, ein zweites hydrostisches Radiallager, das sich auf der anderen Seite des Wirkungspunktes der sich ergebenden Kraft der mittleren hydraulischen Gegenkraft bezüglich der y-Achse und auf der Unterseite der x-Achse befindet, ein drittes hydrostatisches Radiallager, das sich auf der anderen Seite des Wirkungspunktes der sich ergebenden Kraft der mittleren hydraulischen Gegenkraft auf oder in der Nähe der x-Achse befindet, und ein viertes hydrostatisches Radiallager vorgesehen ist, das sich über der x-Achse und auf oder in der Nähe der y- Achse befindet.
In diesem Fall sind das erste und das zweite hydrostatische Radiallager an Positionen angeordnet, die die folgende Bedingung erfüllen:
FLY x eL = fRY x eR,
wobei eL der Abstand in Richtung der x-Achse zwischen dem Mittelpunkt der Gleitbewegung des hydrostatischen Fleckens des ersten Lagers und dem Wirkungspunkt der sich ergebenden Kraft der mittleren hydraulischen Gegenkraft, fLY die an den ersten hydrostatischen Flecken in Richtung der y-Achse angreifende Lastkomponente, eR der Abstand in Richtung der x- Achse zwischen dem Mittelpunkt der Geitbewegung des hydrostatischen Fleckens des zweiten Lagers und dem Wirkungspunkt der sich ergebenden Kraft der mittleren hydraulischen Gegenkraft, und fRY die am hydrostatischen Flecken des zweiten Lagers in Richtung der y-Achse wirkenden Lastkomponenten sind.
Alternativ zu der vorstehenden Anordnung kann folgendes vorgesehen sein: ein erstes hydrostatisches Radiallager unterhalb der x-Achse und in der x-Position des Wirkungspunktes der sich ergebenden Kraft der mittleren hydraulischen Gegenkraft; ein zweites hydrostatisches Radiallager, das sich auf der anderen Seite der y-Achse auf oder in der Nähe der x-Achse befindet, und ein drittes hydrostatisches Radiallager, das sich über der x-Achse und in einer x-Position befindet, die mit der x-Position des Wirkungspunktes 0 zusammenfällt.
Die hydraulische Maschine mit variablem Schluck- oder Fördervolumen mit geneigter Achse nach der Erfindung kann als Pumpe für eine Haupthydraulikdruckquelle oder als Antriebsmotor in verschiedenen hydraulischen Systemen für Baumaschinen Verwendung finden.
Bei den vorstehend beschriebenen Anordnungen ist, obgleich unterschiedliche auf die Antriebsscheibe wirkende hydraulische Gegenkräfte dazu neigen, um die drehbare Welle herum Drehmomente in Relation zum Wirkungspunkt der sich ergebenden Kraft der mittleren hydraulischen Gegenkraft zu erzeugen, das hydrostatische Radiallager so angeordnet, daß es solche Drehmomentlasten an der drehbaren Welle stets in einem ausgeglichenen Zustand hält, um eine gleichmäßige Dicke des Olfilms auf den Gleitoberflächen zu gewährleisten und dadurch einen übermäßigen Verschleiß durch Abrieb an den Gleitoberflächen zu verhindern, während gleichzeitig das Austreten eines Leckstroms auf ein Minimum reduziert wird. In den beigefügten Zeichnungen ist
Fig. 1 bis 3 eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform, wobei Fig. 1 einen Vertikal schnitt durch eine hydraulische Maschine mit variablem Schluck- oder Fördervolumen mit geneigter Achse darstellt, Fig. 2 ein Querschnitt entlang der Linie II-II der Fig. 1 und Fig. 3 eine Skizze zur Erläuterung der Relation der hydraulischen Gegenkräfte ist, die an der Antriebsscheibe mit Drehmoment und Seitenkräften angreifen;
Fig. 4 eine Ansicht ähnlich Fig. 2, jedoch mit Bezugnahme auf eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform;
Fig. 5 ein Vertikalschnitt durch eine hydraulische Maschine mit variablem Schluck- oder Fördervolumen mit geneigter Achse nach einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform;
Fig. 6 ein Schaltdiagramm des hydraulischen Systems einer Baumaschine unter Verwendung der erfindungsgemäßen Maschine.
Nachstehend werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen einige bevorzugte Ausführungsformen einer hydraulischen Maschine mit variablem Schluck- oder Fördervolumen mit geneigter Achse im einzelnen beschrieben.
Die Figuren 1 bis 3 zeigen eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform, bei der das Bezugszeichen 1 für ein Gehäuse steht, das aus einem zylindrischen Gehäusekörper mit einem Bereich 2A von kleinem Durchmesser und einem abgewinkelten Bereich 2B von großem Durchmesser besteht, und bei der ein Kopfgehäuse 3 das äußere Ende des abgewinkelten Bereichs 2B des Gehäusekörpers 2 verschließt.
Mit 4 ist eine Lagerhülse bezeichnet, die als Haltebauteil im Innern des Bereichs 2A von kleinem Durchmesser des Gehäuses 2 vorgesehen ist, wobei die Lagerhülse 4 aus einem Hülsenbereich 4A, der sich in einer Aussparung zwischen einem Endbereich 5A einer nachstehend noch beschriebenen drehbaren Welle 5 und einem zylindrischen Bereich 6B einer Antriebsscheibe 6 befindet und aus einem Flanschbereich 4B besteht, der um den Außenumfang des Hülsenbereichs 4A angeordnet und von einem angrenzenden inneren gestuften Bereich 2C des Bereichs 2A mit kleinem Durchmesser gehalten wird.
5 ist die drehbare Welle, die sich durch die Lagerhülse 4 in das Gehäuse 1 erstreckt und eine teilweise U-förmige Antriebsscheibe 6 aufweist, welche an ihrem entfernt gelegenen Ende einstückig mit dem Gehäuse 1 verbunden ist. Die Antriebsscheibe 6 besteht hier aus einem Scheibenbereich 6A von größerem Durchmesser und aus einem zylindrischen Bereich 6B, der sich vom Außenumfang des Scheibenbereichs 6A in Richtung auf den Flanschbereich 4B der Lagerhülse 4 erstreckt. Die drehbare Welle 5 ist drehbar in der Lagerhülse 4 über ein Lager 7 gehalten, und die Antriebsscheibe 6 ist so angeordnet, daß sie hydraulische Gegenkräfte von Kolben 10 über hydrostatische Radial- und Schublager 20 und 26 auffängt, die nachstehend noch beschrieben werden,
Mit dem Bezugszeichen 8 ist ein Zylinderblock bezeichnet, der in dem Gehäuse 1 vorgesehen ist und einstückig mit der drehbaren Welle 5 rotieren kann, wobei der Zylinderblock 8 mehrere Kolben 10 aufweist, welche in Zylindern 9, die in dem Zylinderblock 8 als Axialbohrungen vorgesehen sind, hin- und her beweglich angeordnet sind. Die Kolben 10 weisen an ihrem vorderen Ende jeweils einen kugelförmigen Bereich 10A auf und sind damit verschwenkbar mit dem Scheibenbereich 6A der Antriebsscheibe 6 verbunden.
Ziffer 11 bezieht sich auf eine quadratische Ventilplatte, deren eine Endfläche sich in Gleitberührung mit der gegenüberliegenden Endfläche des Zylinderblocks 8, und deren andere Endfläche sich in Gleitberührung mit einer konkaven Abwinkelgleitoberfläche 12 befindet, die in dem Kopfgehäuse 3 ausgebildet ist. Die Ventilplatte 11 weist eine durchgehende mittige Bohrung 11A auf, um an den beiden Seiten die Enden einer mittigen Welle 13 bzw. einen Kippstift 19 aufzunehmen, die nachstehend noch beschrieben werden, Die Ventilplatte 11 ist darüber hinaus mit einem Paar (nicht dargestellter) Ansaug- und Aulaßanschlüsse versehen, die während der Drehung des Zylinderblocks 8 intermittierend mit den Zylindern 9 in Verbindung stehen. Unabhängig von der abgewinkelten Position der Ventilplatte 11 stehen die Auslaßanschlüsse jeweils mit einem Paar Ansaug- und Auslaßleitungen (nicht gezeigt) in Verbindung, die in dem Kopfgehäuse 3 vorgesehen und zur Abwinkelgleitoberfläche 12 hin geöffnet sind.
Das Bezugszeichen 13 bezieht sich auf eine mittige Welle, die den Zylinderblock 8 abwinkelbar zwischen der Antriebsscheibe 6 und der Ventilplatte 11 hält und an einem Ende einen kugelförmigen Bereich 13A aufweist, der verschwenkbar in einem mittigen Bereich der Antriebsscheibe 6 gehalten ist. Das andere Ende der mittigen Welle 13, das aus dem Zylinderblock 8 hervorsteht, ist gleitend in einer durchgehenden Bohrung 11A gehalten, die mittig in der Ventilplatte 11 vorgesehen ist, um den Zylinderblock 8 und die Ventilplatte 11 zu zentrieren. 14 bezieht sich auf eine Kompressionsfeder, die einen vorbestimmten Druck auf die Gleitoberflächen des Zylinderblocks 8 und der Ventilplatte 11 ausübt.
15 bezieht sich auf einen Abwinkelmechanismus, der in dem Kopfgehäuse 3 vorgesehen ist, um die Ventilplatte 11 um die Abwinkel-/Gleitoberfläche 12 abzuwinkeln. Der Abwinkelmechanismus 15 besteht aus einer gestuften zylindrischen Bohrung 16, die in dem Kopfgehäuse 3 ausgebildet ist und Öldurchlässe 19A und 19B an ihren entgegengesetzten Enden aufweist, einem Servokolben 18, der gleitend in der zylindrischen Bohrung 16 angeordnet ist und an der Außenseite seiner entgegengesetzten Endbereiche Ölkammern 17A und 17B definiert, sowie aus einem in den Servokolben 18 eingesetzten Kippstift 19 mit einem kugelförmigen Bereich an dessen entfernt gelegenem Ende, der in der Ventilplatte 11 verschwenkbar angeordnet ist. Der von einer Zusatzpumpe über ein abwinkelbares Steuerventil (beides nicht dargestellt) zugeführte Öldruck wird über die Ölleitung 16A oder 16B der Ölkammer 17A oder 17B zugeführt, wodurch der Servokolben 18 so betätigt wird, daß er die Ventilplatte 11 und den Zylinderblock 8 abwinkelt.
Die Bezugszeichen 20A und 20D geben erste bis vierte hydrostatische Radiallager an, die die Radiallastkomponenten der auf die Antriebsscheibe 6 wirkenden mittleren hydraulischen Gegenkraft auffangen. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, bestehen diese hydrostatischen Radiallager 20A bis 20D aus folgendem: radialen zylindrischen Bohrungen 21A bis 21D, die in einer nachstehend noch beschriebenen Relation am Außenumfang des Hülsenbereichs 4A der Lagerhülse 4 ausgebildet sind; hydrostatischen Flecken 22A bis 22D mit Stangenbereichen von kleinem Durchmesser, die gleitend in den zylindrischen Bohrungen 21A und 21D angeordnet sind, Fleckenbereichen von großem Durchmesser außerhalb der zylindrischen Bohrungen 21A bis 21D, die mit der inneren Umfangsfläche (hydrostatische Lagerführungsfläche) des zylindrischen Bereichs 6B der Antriebsscheibe in Gleitberührung stehen; nutenartigen Druckkammern 23A bis 23D an den Außenoberflächen der Fleckenbereiche der hydrostatischen Flecken 22A bis 22D, die mit der Antriebsscheibe in Gleitberührung stehen; und aus axialen Drosselkanälen 24A bis 24D an den hydrostatischen Flecken 22A bis 22D, um die Kammern in den zylindrischen Bohrungen 21A bis 21D mit den jeweiligen Druckkammern 23A bis 23D zu verbinden. Die hydrostatischen Radiallager 20A bis 20D, die zylindrischen Bohrungen 21A bis 21D, die hydrostatischen Flecken 22A bis 22D, die Druckkammern 23A bis 23D und die Drosselkanäle 24A bis 24D werden nachstehend kollektiv als hydrostatisches Radiallager 20, zylindrische Bohrung 21, hydrostatischer Flecken 22, Druckkammer 23 und Drosselkanal 24 bezeichnet
Mit 25 sind Ölleitungen bezeichnet, die in dem Gehäuse 1 und in der Lagerhülse 4 ausgebildet sind, um einen konstanten Lager-Steuerdruck an die hydrostatischen Radiallager 20A bis 20B abzugeben. Um das unter hohem Druck stehende Öl, das über einen der paarweisen Ansaug- bzw. Auslaßanschlüsse in der Ventilplatte 11 angesaugt bzw. abgegeben wird, anzusaugen, werden die Ölleitungen 25 an einem Ende zu dem Ansaug- oder dem Auslaßanschluß hin, geöffnet, je nachdem, welcher von diesen sich an der Seite mit dem höheren Druck befindet, zu der Ansaug- oder der Auslaßleitung des Kopfgehäuses 3 hin, je nachdem, welche von diesen sich an der Seite mit dem höheren Druck befindet, oder zu einer Hochdruckleitung außerhalb des Gehäuses 1 hin geöffnet, und am anderen Ende zu den zylindrischen Bohrungen 21A bis 21D der hydrostatischen Radiallager 20A bis 20D hin, um die jeweiligen Druckkammern 23A bis 23D mit Lager-Steuerdruck zu beaufschlagen. Erforderlichenfalls können die Ölleitungen 25 durch außerhalb des Gehäuses 1 verlaufende Leitungen ersetzt werden.
Die hydrostastischen Radiallager 20A bis 20D sind in einer bestimmten positionellen Relation zueinander angeordnet.
In Fig. 3 hat die sich ergebende Kraft der mittleren hydraulischen Gegenkraft von Kolben 10 im hochdruckseitigen Bereich ihren Wirkungspunkt bezüglich der x- und y-Achsen, die die z-Achse der drehbaren Welle 5 an der Vorderseite der Antriebsscheibe 6 senkrecht schneiden, bei 0. Dieser Punkt 0 liegt vom Schnittpunkt der x- und y-Achsen in einem Abstand eo in Richtung der x-Achse entfernt. In diesem Fall ist der Punkt 0 als Wirkungspunkt der sich ergebenden Kraft der mittleren hydraulischen Gegenkraft anzusehen, da die hydraulische Gegenkraft F gemäß dem Symbol "∞" je nach Anzahl der Kolben im hochdruckseitigen Bereich variiert.
Die sich durch die genannte hydraulische Gegenkraft F ergebenden Radial- und Schublasten FR und FT werden wie folgt ausgedrückt"
FR = F sin α ... (1)
FT = F cos α
wobei α der Neigungswinkel des Zylinderblocks 8 ist. Ist dieser Winkel α minimal, so wird die Radiallast FR minimal und die Schublast FT wird maximal. Ist dagegen der Neigungswinkel α maximal, so werden die Radial- und Schublasten FR und FT maximal beziehungsweise minimal.
Zu den Lagerbeziehungen der hydrostatischen Radiallager 20A und 20D ist folgendes festzustellen: Das erste hydrostatische Radiallager 20A befindet sich an der Seite des Wirkungspunktes 0 der sich ergebenden hydraulischen Gegenkraft sowie außerhalb des Verschiebungsbereichs des Wirkungspunktes 0 der sich ergebenden Kraft, die sich in Form von "∞" verschiebt (auf der linken Seite des Wirkungspunktes 0 in Fig. 2). Das zweite hydrostatische Radiallager 20B befindet sich an einer Seite der y-Achse, die vom Wirkungspunkt 0 der sich ergebenden Kraft entfernt (rechts von der y-Achse in Fig. 2) sowie unterhalb der x-Achse gelegen ist, und zwar in einer bestimmten positionellen Relation zum ersten hydrostatischen Lager 20A, wie nachstehend noch erläutert wird. Das dritte hydrostatische Radiallager 20C befindet sich an der Seite, die vom Wirkungspunkt der sich ergebenden Kraft entfernt (rechts von der y-Achse) sowie auf oder in der Nähe der x-Achse gelegen ist. Das vierte hydrostatische Lager 20D befindet sich über der x-Achse und auf oder in der Nähe der y-Achse.
Hinsichtlich des ersten hydrostatischen Radiallagers 20A ist in Betracht gezogen, daß die Radiallast fL, die am Schnittpunkt 0L wirksam wird, an dem die Achse des hydrostatischen Fleckens 22A die innere Umfangsfläche des zylindrischen Bereichs 6B der Antriebsscheibe 6 schneidet, eine Komponente fLX in Richtung der X-Achse und eine Komponente fLY in Richtung der y-Achse aufweist, und daß der Wirkungspunkt 0 der sich ergebenden Kraft vom Schnittpunkt 0L in einem Abstand eL in Richtung der x-Achse entfernt gelegen ist. Hinsichtlich des zweiten hydrostatischen Radiallagers 20B ist in Betracht gezogen, daß die Radiallast fR, die auf den Schnittpunkt 0R wirkt, an dem die Achse des hydrostatischen Fleckens 22B sich mit der inneren Umfangsfläche des zylindrischen Bereichs 6B schneidet, eine Komponente fRX in Richtung der x-Achse und eine Komponente FRY in Richtung der y-Achse aufweist, und daß der Wirkungspunkt 0 der sich ergebenden Kraft vom Schnittpunkt 0R in einem Abstand eR entfernt gelegen ist. In diesen Fällen befinden sich das erste und zweite Radiallager 20A und 20B in der positionellen Relation
FLY x eL = fLX x eR (2)
Durch diese Art der Anordnung wirken die Lager dahingehend, daß sie Lastmomente Mz um die z-Achse, wie nachstehend noch beschrieben, ausgleichen.
Ferner bezieht sich in Fig. 1 das Bezugszeichen 26 auf hydrostatische Schublager, die jeweils, ähnlich wie das vorstehend beschriebene hydrostatische Radiallager 20, durch eine axiale zylindrische Bohrung 27 in der inneren Endfläche des Hülsenbereichs 4A der Lagerhülse 4, einen hydrostatischen Flecken 28 mit einem Stangenbereich von kleinem Durchmesser, der gleitend in der zylindrischen Bohrung 27 aufgenommen ist, und mit einem Fleckenbereich von großem Durchmesser, der mit der inneren Endfläche (hydrostatische Lagerführungsoberfläche) des Hülsenbereichs 4A in Gleitberührung gehalten ist, eine nutenartige Druckkammer 29 an dem Flekkenbereich des hydrostatischen Fleckens 29 und einen Drosselkanal 30 gebildet sind, der eine Bohrung in dem hydrostatischen Flecken 28 dergestalt darstellt, daß diese eine Kammer in der zylindrischen Bohrung 27 mit der Druckkammer 29 verbindet. Von jeweils demjenigen der Ansaug- und Aulaßanschlüsse, der sich an der Hochdruckseite befindet, wird die Kammer in der zylindrischen Bohrung 27 des hydrostatischen Schublagers 26 permanent mit Hochdrucköl über die vorstehend genannten Leitungen 25 beaufschlagt. Wenngleich in Fig. 1 nur ein hydrostatisches Schublager 26 gezeigt ist, können um den Hülsenbereich 4A der Lagerhülse 4 herum mehrere Schublager derselben Konstruktion vorgesehen sein, um die Lastmomente um die x- und y-Achse in ähnlicher Weise auszugleichen wie bei den vorstehend beschriebenen hydrostatischen Radiallagern 20.
Bei Anwendung als hydraulische Pumpe arbeitet bei dieser Ausführungsform die hydraulische Maschine mit variablem Schluck- oder Fördervolumen mit geneigter Achse wie folgt:
Zunächst wird durch Betätigung des Abwinkelmechanismus 15 die Ventilplatte 11 zusammen mit dem Zylinderblock 8 in die maximale Abwinkelposition der Fig. 1 gebracht. Hierzu wird der Servokolben 18 dadurch verschoben, daß von der Zusatzpumpe Öldruck in die Ölkammer 17A in der zylindrischen Bohrung 16 gepumpt wird. Dadurch verschiebt sich der Kippstift 19 zusammen mit dem Servokolben 18, so daß die Ventilplatte 11 aufgrund der Führung durch die Abwinkelgleitoberfläche (12) abgewinkelt wird. Dies führt dazu, daß der Zylinderblock 8 einstückig mit der mittigen Welle 13 in die in Fig. 1 gezeigte Position abgewinkelt wird, wobei ihre Drehachse gegenüber der Achse der drehbaren Welle 5 abgewinkelt ist.
Hieran anschließend wird die drehbare Welle 5 durch eine Verbrennungsmaschine, einen elektrischen Motor oder eine andere geeignete Antriebsquelle in Umlauf versetzt, wodurch der Zylinderblock 8 einstückig mit der drehbaren Welle 5 rotiert, nachdem die Antriebsscheibe 6 der drehbaren Welle 5 mit den Kolben 10 in den jeweiligen Zylindern 9 des Zylinderblocks 8 verbunden ist. Infolgedessen bewegen sich während der Rotation des Zylinderblocks 8 die Kolben 10 in den jeweiligen Zylindern 9 hin und her. Im Ansaugtakt, bei dem jeder der Kolben 10 von dem Zylinder 9 entfernt wird, wird das Betriebsöl in den Zylinder 9 aus einer Ansaug-/Auslaßleitung über einen Ansaug-/Auslaßanschluß angesogen, und im Auslaßtakt, wenn der Kolben 10 in den Zylinder 9 hineinbewegt wird, wird das Betriebsöl in dem Zylinder 9 zusammengedrückt und über einen Ansaug-/Auslaßanschluß sowie eine Ansaug-/Auslaßleitung abgegeben.
In diesem Fall, das heißt, bei einer hydraulischen Pumpe mit geneigter Achse dieser Art greift die Last der hydraulischen Gegenkraft an der Antriebsscheibe 6 synchron mit der Drehgeschwindigkeit der drehbaren Welle 5 an, proportional zur Anzahl der Kolben, die dazu dienen, den Auslaßdruck zu erzeugen (d.h. in dem Fall, in dem die Gesamtanzahl der Kolben 7, die maximale Anzahl der Druck erzeugenden Kolben 4, die Mindestanzahl der Druck erzeugenden Kolben 3 und die Durchschnittsanzahl der Druck erzeugenden Kolben 3,5 ist). Die auf die Antriebsscheibe 6 wirkende Kraft wird an der Aufnahmeoberfläche des kugelförmigen Bereichs 10A als eine Radiallast FR mit radialen Komponenten und eine Schublast FT mit axialen Komponenten verteilt. Es werden hier bezüglich der x- und y-Achse, die die Achse der drehbaren Welle 5 senkrecht schneiden, von den hydraulischen Gegenkräften aufgrund der Kolbentätigkeit Drehmomentlasten um die x-, y- und z-Achse induziert. Diese Lasten, die aus den Lasten der hydraulischen Gegenkräfte der Kolben und den Drehmomentlasten bestehen, werden von den hydrostatischen Radial- und Schublagern 20 bzw. 26 an der Lagerhülse 4 aufgefangen, die als Haltelement dient. Im einzelnen werden die Radial- und Schublasten durch die Gleitlagerwirkung der hydrostischen Flecken 22 und 28 mit und aus hydrostatischen sowie hydrodynamischen Wirkungen der hydrostatischen Drücke in den Druckkammern 23 und 29 der Flecken 22 und 28 der jeweiligen hydrostatischen Lager 20 und 26 aufgefangen.
Die Art, wie die radiale Komponente der auf die Antriebsscheibe 6 wirkenden Lasten aufgefangen wird, ist im einzelnen in Fig. 3 beschrieben.
Wie vorstehend erwähnt, wird die Radialkomponentenlast FR aus der gesamten hydraulischen Gegenkraft F der Kolben als "∞" um den Wirkungspunkt 0 der sich ergebenden Kraft der mittleren hydraulischen Gegenkraft entsprechend der Anzahl der Kolben in Hochdruckbereichen an der Seite des Wirkungspunktes 0 verschoben. Darüber hinaus variiert die Radiallast FR synchron mit der Anzahl der Kolben im Hochdruckbereich, wobei die Last bei einem Neigungswinkel α = 0 Null und bei einem maximalen Neigungswinkel maximal wird.
Daher sind bei der vorliegenden Ausführungsform vier hydrostatische Radiallager 20A bis 20D um den Außenumfang des Lagerbereichs 4A der Lagerhülse 4 in den besonderen, in Fig. 2 gezeigten positionellen Relationen angeordnet. Zusätzlich zu der Radiallast FR , mit der die Antriebsscheibe 6 beaufschlagt wird, wird die Drehmomentlast Mz um die z-Achse der drehbaren Welle 5 von diesen hydrostatischen Radiallagern 20A bis 20D aufgefangen.
Im besonderen wird die Drehmomentlast Mz um die z-Achse aufgrund dessen, daß der Wirkungspunkt 0 der sich ergebenden Kraft der mittleren hydraulischen Gegenkraft sich um den Abstand eo von der z-Achse der drehbaren Welle 5 verschiebt, in ein Drehmoment umgewandelt, das für den Wirkungspunkt 0 der sich ergebenden Kraft relevant wird, wenn die Radiallast FR auf den Wirkungspunkt 0 ausgeübt wird.
Bei der vorliegenden Ausführungsform befindet sich das erste hydrostatische Radiallager 20A jedoch an der Seite des Wirkungspunktes 0 der sich ergebenden Kraft der mittleren hydraulischen Gegenkraft, und das zweite hydrostatische Radiallager 20B befindet sich an der vom Wirkungspunkt der sich ergebenden Kraft entfernten Seite, und zwar in der besonderen, vorstehend durch die Gleichung (2) angegebenen positionellen Relation. Dadurch können die Lager die Drehmomentlast Mz um die z-Achse, die für den Wirkungspunkt der sich ergebenden Kraft relevant ist, in einem ausgeglichenen Zustand zu halten.
Ferner wird die Seitenkraft in dem Gleitbereich der Ventilplatte 11 in Abhängigkeit von der Form oder anderen Faktoren des hochdruckseitigen Ansaug-/Auslaßanschlusses erzeugt. Durch die Kolben 10 bzw. das mittige Verbindungselement 13 wirkt diese Seitenkraft auf die Antriebsscheibe 6 als Fv in der in Fig. 3 mit Pfeil angegebenen Richtung. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist jedoch das dritte hydrostatische Radiallager 20C an der vom Wirkungspunkt der sich ergebenden Kraft entfernten Seite sowie auf der x-Achse angeordnet, so daß das in dessen Druckkammer 23B eingespeiste, unter hohem Druck stehende Öl auf die Antriebsscheibe 6 einen radialen Druck in umgekehrter Richtung ausübt, um der Seitenkraft Fv entgegenzuwirken. Aufgrund dessen ist es möglich, die Seitenkraft Fv über das dritte hydrostatische Radiallager 20C aufzufangen und durch Einstellen der Radiallast in umgekehrter Richtung auszugleichen.
Ferner variiert die sich ergebende Kraft der hydraulischen Gegenkraft F der Kolben je nach der Anzahl der Kolben im hochdruckseitigen Bereich, wobei Unterschiede in Richtung der y-Achse (in Aufwärts- und Abwärtsrichtung) möglich sind. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das vierte hydrostatische Radiallager 20D jedoch über der x-Achse sowie auf der y-Achse angeordnet, so daß Unterschiede in der sich ergebenden Kraft der hydraulischen Gegenkräfte, die durch eine unterschiedliche Anzahl der Kolben im hochdruckseitigen Bereich versursacht werden, durch das vierte hydrostatische Radiallager 20D in geeigneter Weise aufgefangen werden können.
Auf diese Weise wird bei der vorstehenden Ausführungsform die auf den Wirkungspunkt der sich ergebenden Kraft ausgeübte Radiallast FR in zufriedenstellender Weise von den ersten bis vierten hydrostatischen Radiallagern 20A bis 20D in der vorstehend beschriebenen Art und Weise aufgefangen. Dabei sind die ersten und zweiten hydrostatischen Radiallager 20A und 20B, die so angeordnet sind, daß sie der Beziehung in Gleichung (2) entsprechen, in der Lage, das Drehmoment Mz um die z-Achse, das für den Wirkungspunkt 0 der sich ergebenden Kraft relevant ist, zu kompensieren, während die Seitenkraft Fv sowie Veränderungen der sich ergebenden Kraft der hydraulischen Gegenkräfte jeweils durch das dritte und vierte hydrostatische Radiallager 20C bzw. 20D aufgefangen werden.
Dadurch können das erste bis vierte hydrostatische Radiallager 20A bis 20D die jeweiligen hydrostatischen Flecken 22A bis 22D permanent in einer geeigneten Stellung halten, um die Gleitoberflächen der jeweiligen Flecken 22A bis 22D mit einem geeigneten 0berflächendruck zu beaufschlagen, wodurch eine extrem abgewinkelte Lagerung ausgeschlossen ist. Hierdurch wird ein örtlich begrenzter Abriebsverschleiß der hydrostatischen Flecken 22A bis 22D verhindert und ein Ölfilm gleichmäßiger Dicke zwischen den Gleitoberflächen der hydrostatischen Flecken 22A bis 22D und der hydrostatischen Lagerführungsoberfläche der Antriebsscheibe aufrechterhalten. Infolgedessen lassen sich aus der Gleitoberfläche der jeweiligen hydrostatischen Flecken 22A bis 22D austretende Leckströme, die zu Leistungsverlusten führen würden, auf ein Minimum reduzieren.
In Fig. 4 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei der die Bauteile, die mit der ersten Ausführungsform identisch sind, mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, so daß auf eine Erläuterung verzichtet wird, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden.
Ein Merkmal dieser Ausführungsform besteht darin, daß drei hydrostatische Radiallager Verwendung finden, um die Radiallast FR, die Seitenkraft Fv und ein Drehmoment Mz um die z-Achse aufzufangen.
Im einzelnen sind in Fig. 4 unter den Bezugszeichen 31A bis 31C hydrostatische Radiallager angegeben, die bei dieser Ausführungsform Verwendung finden. Diese hydrostatischen Radiallager 31A bis 31C umfassen folgendes: radiale zylindrische Bohrungen 32A bis 32C, die am Außenumfang des Hülsenbereichs 4A der Lagerhülse 4 in bestimmten positionellen Relationen zu einander, ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform, ausgebildet sind; hydrostatische Flecken 33A bis 33C mit Stangenbereichen von kleinem Durchmesser, die gleitend in den zylindrischen Bohrungen 32A bis 32C aufgenommen sind, und Fleckenbereiche von großem Durchmesser, die in Gleitberührung mit der inneren Umfangsfläche des zylindrischen Bereichs 6B der Antriebsscheibe 6 gehalten sind; nutenartige Druckkammern 34A bis 34C, die in Gleitberührung mit der Antriebsscheibe an den Fleckenoberflächen ausgebildet sind; sowie axiale Drosselkanäle 35A bis 35C in den Flecken 33A bis 33C, um Kammern in den zylindrischen Bohrungen 32A bis 32C mit den Druckkammern 34A bis 34C zu verbinden. Die zylindrischen Bohrungen 32A bis 32C werden konstant mit unter hohem Druck stehendem Öl über die Leitungen 25 beschickt. Die hydrostischen Radiallager 32A bis 32C, die hydrostatischen Flecken 33A bis 33C, die Druckkammern 34A bis 34C und die Drosselkanäle 35A bis 35C werden nachstehend kollektiv als hydrostatisches Radiallager 31, zylindrische Bohrung 32, hydrostatischer Flecken 33, Druckkammer 34 und Drosselkanal 35 bezeichnet.
Die genannten hydrostatischen Radiallager 31A bis 31C sind in den folgenden Lagerbeziehungen zu einander angeordnet:
Das erste hydrostatische Radiallager 31A befindet sich unterhalb der x-Achse an der Seite des Wirkungspunktes 0 der sich ergebenden Kraft der mittleren hydraulischen Gegenkräfte in einem Abstand eo, der mit dem Wirkungspunkt 0 der sich ergebenden Kraft in bezug auf die Entfernung auf der x-Achse zusammenfällt; das zweite hydrostatische Radiallager 31B befindet sich an der vom Wirkungspunkt 0 entfernt gelegenen Seite sowie auf bzw. in der x-Achse; das dritte hydrostatische Radiallager 31C ist auf der Seite des Wirkungspunktes 0 der sich ergebenden Kraft sowie punktsymmetrisch mit dem ersten hydrostatischen Radiallager 31A bezüglich der x-Achse angeordnet.
Bei Verwendung als hydraulische Pumpe arbeitet die vorliegende Ausführungsform mit der vorstehend beschriebenen Anordnung in derselben Art und Weise wie die erste Ausführungsform.
Bei dieser Ausführungsform sind die drei hydrostatischen Radiallager 31A bis 31C um den Außenumfang des Hülsenbereichs 4A der Lagerhülse 4 in den vorstehend beschriebenen besonderen positionellen Relationen angeordnet, um die Radiallast FR, die Seitenkraft Fv und das Drehmoment Mz aufzufangen.
Im einzelnen befinden sich das erste und dritte Radiallager 31A und 31C in Positionen, die in einem Abstand eo von der x-Achse und in punktsymmetrischen Positionen über und unter der x-Achse in bezug auf den Wirkungspunkt 0 der sich ergebenden Kraft der mittleren hydraulischen Gegenkräfte angeordnet sind. Infolgedessen befindet sich der Schnittpunkt 0D, an dem die Achse des hydrostischen Fleckens 33A des ersten Radiallagers 31A die innere Umfangsfläche des zylindrischen Bereichs 6B der Antriebsscheibe 6 schneidet, im selben Abstand von dem Wirkungspunkt 0 der sich ergebenden Kräfte wie der Schnittpunkt 0S, an dem die Achse des hydrostatischen Fleckens 33C des dritten Radiallagers 31C die innere Umfangsfläche des zylindrischen Bereichs 6B schneidet, und die mittlere hydraulische Gegenkraft, die auf den Wirkungspunkt der sich ergebenden Kraft ausgeübt wird, weist dieselben Wirkungslinien bezüglich des ersten und dritten hydrostatischen Radiallagers 31A bzw. 31C auf.
Auf diese Weise können von den Komponenten fDX und fDY in Richtung der x- und y-Achse der Radiallast fD, mit der der Schnittpunkt 0D an der Seite des ersten hydrostatischen Radiallagers 31A beaufschlagt wird, und von den Komponenten fSX und FSY in Richtung der x- und y-Achse der Radiallast fS, mit der der Schnittpunkt 0S an der Seite des dritten hydrostatischen Radiallagers 31C beaufschlagt wird, die Komponenten fDY und fSY der y-Achse im Gleichgewicht gehalten werden. Infolgedessen kann, selbst wenn ein Drehmoment Mz um die z-Achse durch eine Radiallast fR auf den Wirkungspunkt 0 der sich ergebenden Kraft der mittleren hydraulischen Gegenkräfte ausgeübt wird, dieses aufgefangen werden.
Ferner kann das zweite hydrostatische Radiallager 31B, nachdem es sich auf der x-Achse an der vom Wirkungspunkt der sich ergebenen Kraft entfernt gelegenen Seite befindet, die Seitenkraft Fv aufnehmen, die auf die Antriebsscheibe 6 ausgeübt würde.
Darüber hinaus können, obwohl die sich ergebende Kraft der gesamten hydraulischen Gegenkraft der Kolben je nach Anzahl der Kolben im hochdruckseitigen Bereich variiert, solche Veränderungen in der sich ergebenen Kraft in geeigneter Weise vom dritten hydrostatischen Radiallager 31C aufgefangen werden.
Auf diese Weise ist, ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform, die zweite Ausführungform in der Lage, die hydrostatischen Flecken 33A bis 33C der ersten bis dritten Radiallager 31A bis 31C in einer geeigneten Stellung zu halten, um die Gleitflächen der jeweiligen Flecken 33A bis 33C mit einem Oberflächendruck zu beaufschlagen, bei dem eine extrem geneigte Halterung vermieden wird. Dadurch wird ein örtlicher Abriebsverschleiß der hydrostatischen Flecken 33A bis 33C unterbunden, und es kann ein Ölfilm gleichmäßiger Dicke zwischen den Gleitflächen der hydrostatischen Flecken 33A bis 33C und der hydrostatischen Lagerführungsfläche der Antriebsscheibe aufrechterhalten werden. Somit ist eine Reduzierung von aus den Gleitoberflächen der hydrostatischen Flecken 33A bis 33C austretenden Leckströmen auf ein Minimum möglich, als auch eine Verringerung von damit verbundenen Leistungsverlusten.
In Fig. 5 ist eine dritte Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei der die Bauteile, die mit der ersten Ausführungsform identisch sind, gleiche Bezugszeichen tragen, so daß auf eine Erläuterung derselben verzichtet wird, um Wiederholungen zu vermeiden.
Ein Merkmal dieser Ausführungsform besteht darin, daß hydrostatische Radiallager an bestimmten Stellen am Gehäuseteil angeordnet sind, wobei die jeweiligen hydrostatischen Flecken mit dem Außenumfang der Antriebsscheibe in Gleitberührung gehalten werden.
Im einzelnen ist in Fig. 5 mit 41 ein Gehäuse dieser Ausführungsform bezeichnet, das aus einem zylindrischen Gehäusekörper 42 mit einem Bereich 42A von kleinem Durchmesser und einem geneigten Bereich 42B von großem Durchmesser sowie aus einem Endgehäuse 43 besteht, das das äußere offene Ende des geneigten Bereichs 42B in ähnlicher Weise verschließt wie das Gehäuse der ersten Ausführungsform, nur daß der geneigte Bereich 42B im Hinblick auf ein nachstehend noch beschriebenes Radiallager 47 dicker ausgebildet ist.
Das Bezugszeichen 44 steht für eine Lagerhülse, die als Halteteil in dem Bereich 42A mit kleinem Durchmesser des Gehäusekörpers 42 vorgesehen ist und im wesentlichen eine hohlzylindrische Form aufweist, die sich von dem entsprechenden Teil der ersten Ausführungsform unterscheidet. Das eine Ende der Lagerhülse 44 liegt an einem gestuften Bereich 42C am Innenumfang des Bereichs 42 von kleinem Durchmesser an und wird von diesem abgestützt. In diesem Fall enthält die Lagerhülse 44 nur hydrostatische Schublager 26 derselben Bauart wie bei der ersten Ausführungsform.
Mit dem Bezugszeichen 45 ist eine drehbare Welle bezeichnet, die einen Endbereich 45 aufweist, der sich durch die Lagerhülse 44 hindurch erstreckt und mit einer Antriebsscheibe 46 am inneren Ende des Wellenbereichs 45 in dem Gehäuse 41 versehen ist. Bei dieser Ausführungsform ist die Antriebsscheibe 46 kreisförmig plattenartig ausgebildet. Die drehbare Welle 45 ist über ein Lager 7 drehbar in der Lagerhülse 44 gehalten, und die Antriebsscheibe 46 ist so angeordnet, daß sie hydraulische Gegenkräfte von Kolben über hydrostatische Schublager 26 in gleicher Weise aufnimmt wie bei der ersten Ausführungsform.
Mit 47 ist eines der hydrostatischen Radiallager bezeichnet, die am Innenumfang des geneigten Bereichs 42B des Gehäuses 42 in vier voneinander beabstandeten Positionen angeordnet sind, die sich in den besonderen positionellen Relationen gemäß Fig. 2 befinden, oder in drei voneinander beabstandeten Positionen, die sich in den besonderen positionellen Relationen gemäß Fig. 4 befinden. Fig. 5 zeigt nur eines dieser hydrostatischen Radiallager als Beispiel. Das hydrostatische Radiallager 47 besteht aus folgendem: einer zylindrischen Bohrung 48 am Innenumfang des geneigten Bereichs 42B des Gehäuses 42 in einer dem Außenumfang der Antriebsscheibe 46 gegenüberliegenden Position; einem hydrostatischen Flecken 49 mit einem Stangenbereich von kleinem Durchmesser, welcher gleitend in der Zylinderbohrung 48 aufgenommen ist, und einem Fleckenbereich von großem Durchmesser, der in Gleitberührung mit der äußeren Umfangsfläche der Antriebsscheibe 46 gehalten ist; einer Druckkammer 50, die an der Oberfläche des Fleckens 49 in Gleitberührung mit der Antriebsscheibe 46 ausgebildet ist, und aus einem Drosselkanal 51 für die Einspeisung eines Lager-Steuerdrucks in die Druckkammer 50. Die Zylinderbohrung 48 wird mit hohem Öldruck über eine Ölleitung 25 beaufschlagt.
Bei dieser Ausführungsform mit den vorstehenden Anordnungen arbeiten die vier oder drei hydrostatischen Radiallager 47, die sich in den besonderen positionellen Relationen gemäß Fig. 2 bzw. fig. 4 befinden, auf die gleiche Art und Weise wie die vorstehenden Ausführungsformen, und haben auch dieselben Wirkungen.
In Fig. 6 ist ein hydraulisches Schaltdiagramm eines hydraulischen Systems für eine Baumaschine, im besonderen einer Arbeitsschaufel, unter Verwendung der erfindungsgemäßen hydraulischen Maschine mit variablem Schluck- oder Fördervolumen mit geneigter Achse gezeigt.
Das Bezugszeichen 101 in Fig. 6 bezieht sich auf einen als Antriebsquelle dienenden Motor; 102 und 103 sind hydraulische Pumpen mit der erfindungsgemäßen hydrostatischen Radiallagerung; 104 steht für eine Gruppe von Steuerventilen zur Steuerung der Verteilung der Fluidkräfte aufgrund der Pumpen 102 und 103; 105 bezeichnet einen umlaufenden Motor; 106 ist eine mittige Verbindungseinrichtung zur Übertragung der Kraft aus der Gruppe der Steuerventile 104; 107 und 108 sind hydraulische Fahrzeug-Antriebsmotoren, die im unteren Fahrzeugteil angeordnet sind; 109 ist ein hydraulischer Zylinder zur Handhabung von Arbeitskübeln; 110 bezieht sich auf einen hydraulischen Zylinder zur Bedienung eines Arms; 111 und 111 sind hydraulische Zylinder zur Handhabung von Auslegern, und 112 bis 120 sind die vorstehenden hydraulischen Bauteile oder Elemente verbindende Leitungen.
Bei dem hydraulischen Baumaschinensystem, das wie vorstehend beschrieben vorgesehen ist, werden die hohen Fluiddrücke, die von den vom Motor 101 betriebenen hydraulischen Pumpen 102 und 130 abgegeben werden, über die Steuerventile 104 in den umlaufenden Hydraulikmotor 105 eingespeist, der den rotierenden Mechanismus, die beweglichen hydraulischen Motoren 107 und 108, welche den beweglichen Mechanismus betätigen, oder die Zylinder 109 bis 111 antreibt, die den Ausleger, Kübel oder Arm zur Durchführung einer Aushubarbeit betätigen.
Für den Fall, in dem die hydraulische Maschine der vorliegenden Erfindung in Form von hydraulischen Pumpen 102 und 103 in einer Baumaschine Verwendung findet, lassen sich solche Pumpen mit einer hohen Betriebsstabilität und -zuverlässigkeit realisieren, wobei weniger Öllecks auftreten, selbst wenn die Abwinkelung der Pumpen 102 und 103 vergrössert wird, um die Bewegungs- und Aushubkräfte im Hinblick auf eine Leistungssteigerung zu erhöhen. Ähnliche Wirkungen lassen sich erzielen, wenn die Erfindung auf den umlaufenden Motor 105 oder die hydraulischen Fahrzeug-Antriebsmotoren 107 und 108 angewandt wird.
Wenngleich die Erfindung als hydraulische Pumpe mit insgesamt hydrostatischer Lagerung beschrieben worden ist, kann diese selbstverständlich auch in Form einer Maschine mit hydrostatischer Teillagerung unter Verwendung des hydrostatischen Radiallagers 20 (31, 47) in Kombination mit einem mechanischen Wälzlager (beispielsweise einem Rollenlager) anstelle des hydrostatischen Schublagers 26 realisiert werden.
Bei Verwendung der hydraulischen Maschine der vorliegenden Erfindung als reversibler hydraulischer Motor werden die in der Ventilplatte ausgebildeten paarweisen Ansaug- bzw. Auslaßanschlüsse sowie die im Kopfgehäuse ausgebildeten Ansaug- bzw. Auslaßleitungen zu einem Hochdruckanschluß, so daß es sich empfiehlt, zwischen den Ansaug- bzw. Auslaßanschlüssen oder zwischen den Ansaug- bzw. Auslaßleitungen ein Durchgangsventil vorzusehen, um hohen Öldruck über dieses abzuziehen und ihn den hydrostatischen Radiallagern als Lagersteuerungsdruck zuzuführen.
Darüber hinaus kann der Abwinkelmechanismus 15, obwohl er nach den vorstehenden Ausführungsformen im Kopfgehäuse 3 vorgesehen ist, auch durch einen Abwinkelmechanismus ersetzt werden, der sich an der Seitenwandung des Gehäusekörpers 2 (42) befindet und so angeordnet ist, daß er den Zylinderblock und die Ventilplatte über ein Joch abwinkelt, wobei ein Ende desselben auf einem Zapfen im Inneren des Gehäuses gelagert ist.
Neben den vorstehend genannten Verwendungsmöglichkeiten ist die erfindungsgemäße hydraulische Maschine auch im Zusammenhang mit hydraulischen Schraubmechanismen für Walzwerke, hydraulischen Pulververformungssystemen, Spritzgußmaschinen, sich mit hoher Geschwindigkeit bewegenden Maschinen, die bei einer hohen Umgebungstemperatur arbeiten, sowie Schildvortrieben und anderen hydraulisch betätigbaren Maschinen einsetzbar.

< MÖGLICHKEITEN DER INDUSTRIELLEN NUTZUNG>

Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, ist die hydraulische Maschine der Erfindung mit mehreren Radiallagern dergestalt versehen, daß diese die Drehbelastungen um die drehbare Welle permanent ausgleichen, die für den Wirkungspunkt der hydraulischen Gegenkräfte, welche je nach Anzahl der Kolben im Hochdruckbereich variieren, gegenüber der Antriebsscheibe relevant sind. Diese Anordnung hat eine Reihe von Vorteilen, die nachstehend beschrieben sind.
1) Es ist die Ausbildung eines Ölfilms gleichmäßiger Dicke zwischen der Antriebsscheibe und den Gleitoberflächen der hydrostatischen Radiallager möglich, und somit einen unverhältnismäßigen Abriebsverschleiß der Gleitoberflächen der hydrostatischen Lagerflecken und der hydrostatischen Lagergleitoberfläche der Antriebsscheibe zu verhindern, wodurch eine ausreichende Lebensdauer auch bei Einsätzen über einen langen Zeitraum gewährleistet ist.
(2) Im Zusammenhang mit (1) ist durch die Ausbildung eines Ölfilms von gleichmäßiger Dicke zwischen den Gleitoberflächen das Austreten von Öl zwischen diesen Gleitoberflächen auf ein Minimum reduzierbar, verbunden mit verringerten Leistungsverlusten.
(3) Eines der hydrostatischen Radiallager, das an einer vom Wirkungspunkt der sich ergebenden Kraft entfernten Stelle sowie auf oder in der Nähe der x-Achse angeordnet ist, kann die auf die Antriebsscheibe wirkenden Seitenkräfte in stabiler Weise auffangen.
(4) Ein weiteres der hydrostatischen Radiallager, das über der x-Achse sowie auf oder in der Nähe der y-Achse angeordnet ist, kann in stabiler Weise unterschiedliche Komponenten der Radiallasten auffangen, die von hydraulischen Gegenkräften ausgeübt werden.

Claims

1. Hydraulische Maschine mit variablem Schluck- oder Fördervolumen mit geneigter Achse,

- einem zylindrischen Gehäuse-(1; 41) mit einem Kopf gehätise (3; 43) mit Ansaug- und Auslaßleitungen,

- einer drehbaren Welle (5, 45), die drehbar in das Gehäuse (1; 41) eingesetzt ist und an ihrem, entfernt gelegenen, im Gehäuse (1; 41) befindlichen Ende eine Antriebsscheibe (6; 46) hat;

- einem Zylinderblock (8), der sich im Gehäuse (1; 41) befindet und der mehrere axiale, zylindrische Bohrungen (9) hat,

- mehreren Kolben (10), die sich jeweils in den zylindrischen Bohrungen (9) im Zylinderblock (8) befinden und die an ihrem einen Ende in der Antriebsscheibe (6; 46) schwenkbar gehaltert sind;

- einer Ventilplatte (11), die zwei Ansaug- und Auslaßanschlüsse hat und deren eine Endfläche sich in gleitendem Kontakt mit dem Zylinderblock (8) befindet und deren andere Endfläche sich abwinkelbar in gleitendem Kontakt mit einer Abwinkelgleitoberfläche (12) des Kopfgehäuses (3; 43) befindet;

- einem Abwinkelmechanismus (15) zum Abwinkeln der Ventilplatte (11) zusammen mit dem Zylinderblock (8);

- einem hydrostatischen Radiallager (20; 31; 47), das zwischen der Antriebsscheibe (6; 46) und dem Gehäuse (1; 41) vorgesehen ist, um radiale Lasten, die als in radialer Richtung oder als Schub wirkende hydraulische Gegenkräfte auf die Tätigkeit der Kolben (10) hin an der Antriebsplatte (6; 46) angreifen, aufzufangen; und

- Ölleitungen (25), um Öldruck über jeweils denjenigen der Ansaug- bzw. Auslaßanschlüsse, der sich auf der Hochdruckseite befindet, dem hydrostatischen Radiallager (20; 31; 47) zuzuführen bzw. von diesem abzuführen,

dadurch gekennzeichnet, daß

das hydrostatischer Radiallager (20, 47) bezüglich einer x-Achse und einer y-Achse, die die Achse der drehbaren Welle (5) rechtwinklig schneiden, wobei die x-Achse außerdem durch den Wirkungspunkt (0) der sich ergebenden Kraft der mittleren hydraulischen Gegenkraft der Antriebsscheibe definiert ist, aufweist;

- ein erstes hydrostatisches Radiallager (20A), das sich auf der einen Seite des Wirkungspunkts und unterhalb der x-Achse und außerhalb des Verschiebungsbereichs des Wirkungspunkts befindet,

- ein zweites hydrostatisches Radiallager (20B), das sich auf der anderen Seite des Wirkungspunkts auf der unteren Seite der x-Achse befindet,

- ein drittes hydrostatisches Radiallager (20C), das sich auf der anderen Seite des Wirkungspunkts auf oder in der Nähe der x-Achse befindet, und

- ein viertes hydrostatisches Radiallager (20D), das sich über der x-Achse und auf oder in der Nähe der y-Achse befindet.

2. Hydraulische Maschine mit variablem Schluck- oder Fördervolumen mit geneigter Achse,

- einem zylindrischen Gehäuse (1; 41) mit einem Kopfgehäuse (3; 43) mit Ansaug- und Auslaßleitungen,

dadurch gekennzeichnet, daß

das hydrostatische Radiallager (20, 47) bezüglich einer x-Achse und einer y-Achse, die die Achse der drehbaren Welle (5) rechtwinklig schneiden, wobei die x-Achse außerdem durch den Wirkungspunkt (0) der sich ergebenden Kraft der mittleren hydraulischen Gegenkraft der Antriebsscheibe definiert ist, aufweist;

- ein erstes hydrostatisches Radiallager (31A), das sich unterhalb der x-Achse auf einer x-Position befindet, die mit der x-Position des Wirkungspunkts (0) zusammenfällt,

- ein zweites hydrostatisches Radiallager (31B), das sich auf der anderen Seite der y-Achse auf oder in der Nähe der x-Achse befindet, und

- ein drittes hydrostatisches Radiallager (31C), das sich über der x-Achse und in einer x-Position befindet, die mit der x-Position des Wirkungspunkts (0) zusammenfällt.

3. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Antriebsscheibe (6) mit einem auf einer Seite offenen U-förmigen Querschnitt durch einen Scheibenbereich (6A) gebildet wird, der dazu ausgelegt ist, die Kolben (10) abwinkelbar zu halten, sowie durch einen hohlen zylindrischen Bereich (6B), der sich vom Scheibenbereich (6A) vom Zylinderblock (8) weg erstreckt;

- ein Haltebauteil (7) zum drehbaren Halten der drehbaren Welle (5) in der Nähe eines Endes des Gehäuses (1) und in einem Bereich, der zwischen dem Abwinkelungsbereich der drehbaren Welle (5) und der Antriebsscheibe (6) mit U-förmigem Querschnitt definiert ist, angeordnet ist, und

- das hydrostatische Radiallager zwischen dem äußeren Umfang des Stützbauteils (7) und dem inneren Umfang des hohlen zylindrischen Bereichs (6B) der Antriebsscheibe (6) vorgesehen ist.

4. Hydraulisches Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Antriebsscheibe (46) kreisförmig plattenartig zum abwinkelbaren Halten der Kolben (10) ausgebildet ist, und

- das hydrostatische Radiallager (47) zwischen dem äußeren Umfang der Antriebsscheibe (46) und dem inneren Umfang des Gehäuses (41) vorgesehen ist.

5. Hydraulische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

das erste und das zweite hydrostatische Radiallager (20A, 20B) an Positionen angeordnet sind, die die folgende Bedingung erfüllen:

fLY x eL = fRY x eR ,

wobei eL der Abstand in Richtung der x-Achse zwischen dem Mittelpunkt der gleitenden Bewegung des hydrostatischen Fleckens (22A) des ersten hydrostatischen Radiallagers (20A) und dem Wirkungspunkt (0) ist, fLY die am hydrostatischen Flecken (22A) des ersten Lagers (20A) in Richtung der y-Achse wirkende Lastkomponente, eR der Abstand in Richtung der x-Achse zwischen dem Mittelpunkt der gleitenden Bewegung des hydrostatischen Fleckens (22B) des zweiten hydrostatischen Radiallagers (20B) und dem Wirkungspunkt (0), und fRY die am hydrostatischen Flecken (22B) des zweiten Lagers (20B) in Richtung der y-Achse wirkende Lastkomponente.

6. Hydraulische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hydraulische Maschine als Pumpe einer Haupthydraulikdruckquelle oder als Antriebsmotor im hydraulischen System einer Baumaschine verwendet wird.