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Kolben für Axialkolbengetriebe Axialkolbengetriebe mit genau oder
angenähert der Drehachse parallel angeordneten Zylindern werden in der Regel mit
einer Umsteuerung eingerichtet, welche genau eben ist oder einer flach gewölbten
Kugelfläche entspricht. Derartige Steuerungen haben den Vorteil, daß sie selbstdichtend
ausgeführt werden können, so daß auch bei mäßigem Verschleiß der Steuerflächen die
Dichtigkeit der Steuerungen im Gegensatz zu der Rundsteuerung, wie sie Radialkolbengetriebe
zu haben pflegen, nicht leidet. In der Tat zeigt sich, daß im Gebiet der niederen
und mittleren Drehzahlen derartige Steuerungen sehr gute Ergebnisse zeitigen, im
Gebiet der hohen Drehzahlen treten jedoch Schwierigkeiten auf, die man bisher durch
Verbesserung der Schmierung, Anbringung von Druckentlastungsfeldern und ähnlichen
Maßnahmen glaubte beheben zu können, in der Meinung, daß die hohe Gleitgeschwindigkeit,
welche dieser Steuerung eigen ist, insbesondere an den außenliegenden Teilen derselben,
die Ursache der auftretenden Schwierigkeiten ist.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die geschilderten Schwierigkeiten
auf dem Auftreten bisher unbekannter Kraftwirkungen, und zwar seitens der in den
Zylindern arbeitenden
Kolben nebst den dazugehörigen, meist mit
Kugelgelenken bewehrten Pleuelstangen, beruhen. Selbst wenn man nämlich in bekannter
Weise das Kräftespiel zwischen den durch den Öldruck bedingten Kolbenkräften oder
ihre Reaktion auf den Zylinderkörper möglichst gut ausgleicht, mit dem hydraulischen
Rückdruck der Steuerungsöffnungen selbst, der dazugehörigen Dichtungsflächen und
eines meist noch vorhandenen Spurlagers, welches die Restkräfte übernehmen soll,
zeigt sich, daß allerdings erst im Gebiet höherer Drehzahlen ein bisher unbekanntes
Zentrifugalmoment der Kolben auftritt, welches den Zylinder umzukippen sucht und
daher starke Kantenpressungen auf den Umfang der rotierenden Steuerfläche ausübt,
da ganz allgemein diese Steuerfläche zur Bestimmung der Drehachse des rotierenden
Zylinderkörpers herangezogen wird und auch herangezogen werden muß; wenn man die
nötige Dichtigkeit der Steuerung mit einfachen Mitteln erzielen will. Während bisher
nur Kantenpressungen beobachtet oder bekannt sind, die von einer nicht gleichachsigen
Lage der Kolbenkräfte und des Steuerungsrückdruckes herrühren und während diese
zu bekannten Kantenpressungen führen, die ihren Sitz in der Mitte der Umsteueröffnungen
haben, liegt das oben bereits kurz angegebene Zentrifugalmoment um 9o° verdrillt
gegen diese bereits bekannten Kippmomente und ruft daher Kantenpressungen hervor,
welche in der Nähe des Cbergangs eines Steuerschlitzes auf den benachbarten ihren
Sitz haben.
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Die Abb. i zeigt die Entstehung dieser Zentrifugalmomente im einzelnen,
und zwar bei einem hydraulischen Getriebeteil, welcher mit festen Triebteilen und
schwenkbarem bzw. geschwenktem Zylinderkörper ausgerüstet ist, obwohl die gleiche
Erscheinung bei allen anderen Arten von Axialkolbengetrieben in der gleichen Weise
auftritt. W ist die Getriebewelle, welche den Triebflansch TF trägt. In diesem sind
mit der Pleuelstange P die Kolben K gehaltert. Diese arbeiten zusammen in größerer
Zahl, meist zu fünf bis neun Stück, in einem rotierenden gemeinsamen Zylinderblock
Z. Der Zylinderblock ist beispielsweise bei TS auf einer durchlaufenden Tragstange
radial geführt, und zwar in der Regel kugelbeweglich oder so kurz, daß die genaue
Achsrichtung durch die Lage der Steuerflächen SF bestimmt wird, die einerseits an
dem rotierenden Zylinderblock Z, andererseits an dem Getriebegehäuse oder einem
schwenkbaren Rahmen innerhalb des Getriebegehäuses angeordnet sind.
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Da nun alle Teile dieses bekannten oder ähnlicher Triebwerke der Axialkolbengetriebe
rotieren, muß man zunächst annehmen, daß bei der Vielzahl der Zylinder mit den darin
arbeitenden Kolben sich die Fliehkräfte durchaus ausgleichen und keine von den Fliehkräften
oder überhaupt dem Arbeiten der Kolben herrührenden Rückwirkungen auf den Zylinderkörper
fühlbar werden können. Tatsächlich ist ein derartiges Triebwerk durchaus erschütterungsfrei
im Gegensatz zu den verschiedenartigen Kraftwirkungen, die ein gewöhnliches Kurbeltriebwerk
mit feststehenden Zylindern und darin arbeitenden Kolben bekanntermaßen nach außen
von sich gibt.
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Die vorliegende Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, daß trotz
der scheinbaren Ruhe der Arbeit eines derartigen Triebwerks doch erhebliche Rückwirkungen
der Kolben, und zwar insbesondere ihrer Fliehkräfte auf den Zylinderkörper Z, in
Erscheinung treten. Betrachtet man nämlich die Kolben K, wie sie in Abb. i dargestellt
sind, und setzt voraus, daß die Zeichenebene die gemeinsame Ebene der Drehachse
der Triebwelle W und des rotierenden Zylinderkörpers Z ist, so ist ersichtlich,
daß in dem Moment, in welchem ein Kolben K die Zeichenebene durchtritt, er in dem
dazugehörigen Zylinder in Ruhe ist. Seine Kraftwirkung auf die Zylinderwand wird
daher genau so beschaffen sein, als wenn er ein Stück des Zylinders selbst wäre.
Man muß daher gemäß dem Grundgedanken der Erfindung damit rechnen, daß eine Fliehkraft,
angedeutet durch den Pfeil P in Abb. i, auf die Kolbenmasse einschließlich eines
Anteils der darin steckenden Pleuelstange wirkt und sich auf die Zylinderwand so
überträgt, daß diese Kraft P auf den Zylinder übertragen wird. Nimmt man an, daß
das Getriebe eine geradzahlige Anzahl von Zylindern besitzt, so wird im Augenblick
des Durchtretens eines Kolbens durch die Zeichenebene der Abb. i, was der Totlage
eines Kolbens in dem dazugehörigen Zylinder entspricht, beiderseits der rotierenden
Zylinderachse je eine gleich große Kraft P entstehen. Diese beiden Kräfte sind einander
parallel, jedoch um eine Strecke H gegeneinander verschoben, welche der wirksamen
Hubgröße des Getriebes entspricht. Sie ergänzen sich daher zu einem Drehmoment,
dessen Achse senkrecht zur Zeichenebene liegt und eine Kantenpressung an derjenigen
Stelle der Umsteuerung hervorruft, die in der dazugehörigen Abb. z schematisch skizziert
und mit U bezeichnet ist und in der Regel Umsteuerungssteg benannt wird, als die
Trennstelle zwischen den beiden Saug- und Druckschlitzen D und S des entsprechenden
Axialkolbengetriebes.
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Hiernach ist der Nachweis erbracht, daß trotz der scheinbaren Kräftefreiheit
eines derartigen, in allen Teilen rotierenden Getriebes, bei welchem keine hin und
her gehenden Bewegungen sichtbar sind, doch eine erhebliche Fliehkraftwirkung, und
zwar ein Zentrifugalmoment auftritt, dessen Größe mit dem Gewicht und dem Abstand
der Kolben von der Drehachse des Zylinders zusammenhängt, wozu noch ein Zuschlag
für ein anteiliges Pleüelstangengewicht der. Pleuelstange P hinzukommt. Das Zentrifugalmoment
ist dabei dem jeweils gewählten festen oder veränderlich einstellbaren Hub H des
Kolbentriebwerks proportional.
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Die nähere Untersuchung zeigt, daß ähnliche Momente auch bei denjenigen
Getrieben, die meist ungeradzahlige Kolbenzahlen aufweisen, auftreten und daß auch
die außerhalb der Zeichenebene der Abb. i, jedoch nahe dem Hubende gerade arbeitenden
Kolben hieran beteiligt sind, wenn auch in geringerem Maße als die in der Totlage
stehenden,
etwa entsprechend dem Quadrat einer gewöhnlichen Kosinusfunktion,
ausgehend vom Totpunkt. Die Summe der Kraftwirkungen der Kolben ergibt erhebliche
Gesamtzentrifugalmomente, die sich in einer starken Kantenpressung bemerkbar machen
und die Ursache des Versagens derartiger Getriebe im Gebiet hoher Drehzahlen sind.
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Erfindungsgemäß wird nun diese Schwierigkeit dadurch behoben, daß
ein insbesondere im Radialkolbengetriebebau für andere Zwecke und aus anderen Gründen
verwandtes Mittel angewendet wird, um Kolben und Gestänge möglichst leicht auszuführen.
Dieses Mittel besteht in der Veränderung des üblichen Triebwerks der Axialkolbengetriebe
in der Weise, daß man in den Kolben die Rückzugschalen an der Pleuelstange P wegläßt
und damit die Kolbenkonstruktion so weitgehend vereinfacht und erleichtert, daß
die oben geschilderten Zentrifugalmomente auf unerhebliche Werte sinken. Um die
so vereinfachten Kolben noch betriebsfähig zu erhalten, wird der sonst nur im Radialkolbenbau
übliche Kraftschluß angewendet, und zwar entweder durch Wahl eines Ölüberdrucks
auch auf der Saugseite des Getriebes oder in dem Saugschlitz S, der der Saugseite
des niedrigeren Druckes des Getriebes entspricht, oder schließlich auch durch Ausführung
eines Kraftschlusses mit Hilfe einer in den Kolben eingesetzten Feder, was ebenfalls
eine wesentliche Erleichterung des Kolbens gegenüber der üblichen Bauweise mit Rückzugschalen
gibt.
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An sich bereitet nämlich die Anordnung von Rückzugschalen, welche
ebenfalls die in den Kolben arbeitenden Kugelgelenke von rückwärts umschließen und
damit die Ausübung von Saugwirkungen auf das in die Zylinder eintretende Öl gestatten,
keinerlei Schwierigkeiten und ist beim Axialkolbengetriebe daher allgemein üblich.
Gemäß der vorliegenden Erfindung verzichtet man zum Zweck der Beseitigung bzw. Beschränkung
der Zentrifugalmomente auf die Anordnung der der Rückzugschalen, wodurch erheblich
an Gewicht für den Kolben und @insbesondere auch der in dem Kolben unterzubringende
Kugelkopf der Pleuelstange P gespart wird, und' führt statt dessen einen Kraftschluß
ein, etwa durch unter Öl stehenden Überdruck auf der Saugseite des Getriebes.
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Die Abb. 3 zeigt einen derartigen für Betrieb mit Kraftschluß geeigneten
Kolben für ein Axialkolbengetriebe, der gemäß der ,Erfindung besonders leicht ausgeführt
wird, um eine Beseitigung der Zentrifugalmomente zu erreichen. Er besteht aus dem
im allgemeinen der Einfachheit und Leichtigkeit halber einteiligen Kolbenkörper
Kk mit der Hauptkugelschale H und der darin arbeitenden Pleuelstange P. Diese erhält
nur einen einfachen Stangenkopf SK in Form einer Kugelfläche, die sich unmittelbar
bzw. nur mit einer kurzen Übergangszone an die eigentliche Stange P anschließt,
die jedenfalls nicht mit einer Rückzugschale in Verbindung steht. Auf diese Weise
wird es möglich, daß erhebliche Gewichte der sonst im Kolben K unterzubringenden
Kugel an der Pleuelstange P vermieden werden, wenn man in der aus dem Radialkolbenbau
bekannten Weise für einen Kraftschluß sorgt, etwa dadurch, daß man Ölüberdruck auch
auf der Saugseite des Getriebes durch bekannte Mittel, etwa ein oder zwei Rückschlagventile,
der den Getriebekreislauf ausführenden Speisepumpe einführt.
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Speisepumpen dieser Art sind für Axialkolben-Betriebe allgemein bekannt,
dienen jedoch anderen Zwecken, wie der Beseitigung der Luft im Getriebekreislauf
oder der Durchführung einer Öldurchspülung oder Ölerneuerung, wie aus dem Umstand
hervorgeht, daß man daher diese Speisepumpen noch nicht in Verbindung mit Axialkolbengetrieben
gebraucht hat, bei welchen die Rückzugschalen an den Pleuelstangen weggelassen sind.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Kolbens nach Abb. 3 gestattet
es dabei auch, die Stange P hohl zu bohren, entweder in der Weise, daß man die Bohrung
nach der rechten oder linken Seite durchführt oder sie auch wieder verschließt durch
eingepreßte, eingeschweißte oder sonstwie befestigte Deckel. In Abb. 3 ist beispielsweise
die an der Stange P einseitig erforderliche Teilkugel SK in Form eines besonderen
Stückes in die hohl gebohrte Stange P von links eingesetzt. Wird der Kolben zur
kardanlosen Mitnahme in bekannter Weise benutzt, so ist es dabei sehr wohl möglich,
in der Nähe des äußeren Kolbenendes die Hohlbohrung aufhören zu lassen bzw. in eine
kleinere Schmierbohrung übergehen zu lassen, so daß hier eine größere Widerstandsfähigkeit
der Stange gegen die Mitnahmekräfte erreicht wird. Dabei gestattet es die erfindungsgemäße
Kolbenausbildung sehr wohl, an dieser Stelle einen Verstärkungsring R anzuordnen,
der eingesetzt, eingepreßt oder eingeschweißt oder auch aus dem vollen herausgedreht
wird, um die nötige Versteifung des offenen Kolbenendes zu erzielen. Bei dieser
Anordnung kann es, wenn einmal der Öldruck insbesondere bei einem Primärteil ausbleiben
sollte (bei einem Sekundärteil oder Ölmotor ist der Öldruck oder ein sonstiger Kraftschluß
nicht so unbedingt nötig, weil auf der drucklosen bzw. druckschwächeren Seite des
Getriebes die Kolbenreibungskräfte für den Kraftschluß sorgen), vorkommen, d aß
der Kugelkopf SK an der Stange P sich aus der Halbkugel H des Kolbens löst und dann
in der Aussparung A, die etwa zur Erzielung einer möglichst leichten Wand vorgesehen
ist, hängenbleibt oder doch beim Wiedereinführen des Stangenkopfes an die linke
Kante der Aussparung A ausschlägt, wodurch Störungen hervorgerufen werden können.
Diese Schwierigkeit läßt sich ohne nennenswerte Gewichtsvermehrung dadurch beheben,
daß man etwa in die Aussparung A einen schraubenfederartig gebauten Füllkörper F
einführt, etwa eine Schraubenfeder aus Leichtmetall. Statt dessen kann auch ein
geschlitztes oder federndes Leichtmetallrohr oder irgendeine andere Art von möglichst
leichten und doch wirksamen Füll- und Führungskörpern F an dieser Stelle angewendet
werden,
ohne daß man hiermit etwa einen wesentlichen Teil der durch
die Aussparung bzw. dünnwandige Stärke des Kolbens Kk gewonnenen Gewichtsvorteile
aufgeben muß.
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Im übrigen ist es auch möglich, an Stelle eines Kraftschlusses, der
durch den Ölüberdruck hervorgerufen wird; den erfindungsgemäßen, nur einseitig mit
Lagerflächen, etwa Kugelflächen, ausgerüsteten Kolben und dem Gestänge den nötigen
Kraftschluß zu geben durch eine vorgespannte Federanordnung, die immerhin noch wesentlich
leichter wird als die übliche Rückzugschalenanordnung und doch die Entstehung von
Saugkräften an den Kolben gestattet. Die Abb. q. zeigt einen dementsprechend ausgeführten
Kolben. Dieser ist in der Hauptsache ähnlich dem Kolben nach Abb. 3 ausgeführt und
wie dort bezeichnet. Geändert bzw. hinzugefügt ist die vorgespannte Schraubenfeder
F, welche für den nötigen Kräftschluß sorgt, etwa indem sie sich an die linke Kante
des ohnedies für die Versteifung wünschenswerten Ringkörpers R lehnt. Selbstverständlich
ist auch eine Sprengringbefestigung der Feder F oder irgendeine andere ähnliche
Art ihrer Halterung, auch eine gemeinsame Sprengringbefestigung für das Federende
und einen eingelegten oder eingepreßten besonderen Versteifungsring R, möglich.
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Auch bei dieser Ausführungsart ist immerhin noch ein erhebliches Mindergewicht
des Kolbens gegenüber den üblichen Kolben mit Rückzugschale erreichbar, so daß die
erfindungsgemäße Beseitigung der Zentrifugalmomente durch Anwendung rückzugschalenfreier
und dementsprechend besonders leichter Kolben auch hier gewährleistet ist.
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Die Anwendung von Kolben, die keine Rückzugflächen besitzen, bringt
daher beim Axialkolbengetriebe den besonderen Vorteil der Beseitigung bzw. weitgehenden
Beschränkung der hier nachgewiesenen Zentrifugalmomente und damit den überraschenden
Erfolg, daß Kantenpressungen an der Steuerfläche und damit zusammenhängende Schwierigkeiten
an dieser Steuerfläche, obwohl sie weit entfernt von den Kolben selbst liegt, beseitigt
werden. Rückzugflächen an den Kugeln, die im Triebflansch TF gelagert sind und mit
der anderen Seite der Pleuelstangen P zusammenhängen, wegzulassen, ist im Sinne
dieser Erfindung ohne Belang, da die nahe dieser Stelle auf den Pleuelstangen angeordneten
Massen so gut wie gar keine Rück-Wirkung auf die Fliehkraftmomente ausüben. Ein
< <tllig@ @@e@`last<sr-i rlie@er >-iüd@z-ugflächit ist auch bei Anwendung
von beliebig hohen Öldrücken auf der Saugseite des Getriebes nicht möglich, weil
stets die Gefahr besteht, daß einmal dieser Öldruck wegbleibt, wenn das Getriebe
läuft, und dann die Pleuelstangen P aus den etwa offenen Halbkugelschalen des Triebflansches
TF herausspringen und sich in das Triebwerk einklemmen, worauf in der Regel grobe
Zerstörungen des Getriebes erfolgen. Es liegt daher im Wesen der Erfindung, daß
sehr wohl an den Kugelgelenken des Triebflansches TF Rückzugschalen vorhanden sein
müssen, wenn sie auch vielleicht in der vereinfachten Form eines eingesetzten, sogar
Spiel zulassenden Sprengringes ausgeführt werden können, da sie nur für obige li
Ausnahmefälle zu arbeiten brauchen, wenn kein genügend hoher Öldruck für die Aufrechterhaltung
des Kraftschlusses auch an dieser Stelle, bei welcher noch die volle Masse der Pleuelstange
zu den Beschleunigungskräften des Kolbens hinzukommt, vorhanden ist. Die richtige
Durchführung der Erfindung, die dem Zweck der Beseitigung der Zentrifugalmomente
gilt, gestattet daher zwar bei Anwendung von Öldruck auf der Saugseite der Kolben
ein Weglassen der Rückzugschalen im Kolben, woselbst diese mit den damit zusammenhängenden
Konstruktionsteilen störende Fliehkraftmomente bedingen würden, sie gestattet oder
erfordert sogar dagegen die Anordnung bzw. Beibehaltung der Rückzugschalen oder
wenigstens der Sprengringbefestigung der Hauptkugeln im Triebflansch zur Vermeidung
der Betriebsgefahren, die an dieser Stelle tatsächlich durch Weglassen der Rückzugschalen
entstehen würden. Die Erfindung beruht daher auf der Erkenntnis, daß zwar im allgemeinen
bei Axialkolbengetrieben auf Rückzugschalen nicht verzichtet werden kann, daß aber
gerade an derjenigen Stelle, an welcher diese Rückzugschalen mit ihren Nebenbestandteilen
störende Kantenpressungen an der Steuerfläche verursachen, es möglich ist, sie wegzulassen,
ohne daß bei einem gelegentlichen Ausbleiben des Kraftschlusses, etwa infolge von
Versagen des Speiseöldruckes, keine Zerstörung der Triebwerksteile eintritt.
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Axialkolbengetriebe, bei welchen der Kolben mit allen Antriebsteilen
unter Federkraftschluß gebracht wird, sind bekannt. Diese haben den Nachteil, daß
die Feder dauernd den gesamten -,\Tutzhub des Kolbens zurücklegen muß und infolgedessen
unter Ermüdungsbrüchen leidet, selbst wenn man sie recht groß bemißt. Demgegenüber
hat der erfindungsgemäße Kolben mit Federkraftschluß nach Abb. 3 und 4 nur eine
Feder, welche nur sehr geringe Bewegungen aufzunehmen braucht und daher in leichter
Ausführung für den Dauerbetrieb brauchbar gemacht werden kann, während die bekannten
Federanordnungen sogar besonders große, auf den Kolben wirkende zusätzliche Massen
ergeben, die eine Vermehrung des Kolbengewichtes und dementsprechend eine Steigerung
hierdurch etwa veranlaßterKantenpressung an der Steuerung über das sonst bei den
üblichen Kolben mit Rückzugschalen erreichbare Maß ergeben.
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Die Ausführung der l#-rliiirlung ist in Abh. i ge zeigt bei einem
Getriebeteil mit fester Welle und schwenkbaren Zylindern. Die Erfindung kann jedoch
in genau derselben Weise und demselben Nutzen bei Getriebeteilen angewendet werden,
bei welchen die rotierenden Zylinder nicht schwenkbar angeordnet sind, etwa durch
Anwendung einer schwenkbaren Welle oder eines schwenkbaren Triebringes, der die
durchlaufende; mit der Zylinderachse ganz oder nahezu identische Haupttriebwelle
umfaßt und mit dieser in geeigneter Weise verbunden ist.