EP0301309B1 - Axialkolbenmachine mit Stufenkolben - Google Patents
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
- F04B5/00—Machines or pumps with differential-surface pistons
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- F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
- F04B1/00—Multi-cylinder machines or pumps characterised by number or arrangement of cylinders
- F04B1/12—Multi-cylinder machines or pumps characterised by number or arrangement of cylinders having cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis
- F04B1/122—Details or component parts, e.g. valves, sealings or lubrication means
- F04B1/124—Pistons
Definitions
- the invention relates to an axial piston machine according to the preamble of claim 1.
- swash plate axial piston pumps that is to say those with a fixed cylinder, have become known with one-piece high and low pressure pistons and hydraulic return movement of the pistons in contact with the swash plate.
- the rear sides of the low-pressure piston parts are connected to a common overflow space, this overflow space being connected to the low-pressure cylinder via pressure valves and to the high-pressure cylinders via suction valves.
- the overflow chamber is only connected to the high pressure cylinders when the high pressure pistons are in the suction stroke.
- the feeding of pressure medium into the overflow space takes place from the low pressure side through the low pressure cylinders and their pressure valves.
- the invention has for its object to design an axial piston machine of the type mentioned in such a way that the maintenance of an overpressure adapted to the respective operating state is ensured in the second cylinder spaces for the pressure of the pistons on the swash plate and / or the cylinder drum on the control mirror.
- the throttled connection between the first and the second cylinder spaces.
- This not only ensures the overpressure in the second cylinder chambers through the working pressure, but also creates an overpressure depending on the respective working pressure, which results in the desired adaptation to the operating state.
- the channel or channels creating this connection can run directly or indirectly between the first and second cylinder spaces. It is essential that the working pressure is able to spread into the second cylinder spaces and to a limited extent so that the function of the axial piston machine is not impaired.
- the pressure of the pistons on the drive surface and / or the rotatable cylinder drum on the control mirror can be created or determined in a simple manner, depending on or adapting to the operating state or to the working pressure.
- An additional third piston as is required in the known configuration, or a spring known per se for acting on an existing cylinder drum against the control mirror can be omitted in the configuration according to the invention.
- the configuration according to the invention also enables relatively high speeds in pump operation.
- the suction limit speed of axial piston pumps is mainly dependent on the size of the cylinder inlet openings and the ratio of the pitch circle diameter of the piston to the pitch circle diameter of the cylinder inlet openings.
- the size of the cylinder inlet openings is directly proportional to the size of the cross sections of the pistons.
- the design according to the invention makes it possible to design the cylinder inlet openings larger in relation to the cross section of the piston diameters or to reduce the aforementioned ratio in axial piston machines with a rotatable cylinder drum that can hold the pistons. As a result, the desired high speed enabled in pump operation.
- the embodiment according to claim 6 leads to a desired centrifugal acceleration of the inflowing fluid flow during operation of the axial piston machine.
- the essential parts of the axial piston machine are a housing 4 consisting of a cup-shaped housing part 2 and a housing cover 3, a drive shaft 5 which passes through the cup-shaped housing part 2 in the central axis 6 of the axial piston machine 1 and preferably by means of roller bearings 7 , 8 is mounted in the radial wall of the housing part 2 and in the housing cover 3, a cylinder drum 11 arranged in the housing space 9, which can be rotated about the central axis 6 by the drive shaft 5 and on the drive shaft 5 and on the control mirror 13 one on the inside of the housing cover 3 arranged control plate 14 is mounted, a plurality of pistons 15, which are arranged on a pitch circle 16 and are displaceable due to a slanted surface 17 in axial piston bores 18 of the cylinder drum 11, and control channels 19, 21 which the cylinder spaces of the cylinder drum 11 with a supply and a Connect the discharge line 23, 24.
- the piston bores 18 are stepped bores, and the pistons 15 are stepped pistons with stepped surfaces 25, so that first cylinder spaces 22 and second cylinder spaces 26 result.
- the second cylinder spaces 26 are connected to one another by a channel system, preferably consisting of an annular channel 27 in the cylinder drum 11 and each of these radial channel sections 26 connecting this to a second cylinder space 26, so that pressure equalization occurs for all second cylinder spaces 26 during operation of the axial piston machine 1 .
- everyone first cylinder chamber 22 is connected to the associated second cylinder chamber 26 by a channel 29, which is formed by an axial bore section 31 and by a radial bore section 32 in each piston 15.
- the arrangement is such that, in the lowest position of each piston 15, the radial channel sections 28 open below the step surface 25 of the piston 15 and the radial bore sections 32 open above the step surface 33 of the second cylinder spaces 26.
- the control channels 19, 21 are formed by cylinder inlet openings 34 in the form of axial bores in the cylinder drum 11 and diametrically opposed, kidney-shaped control openings 35 in the control plate 14.
- the cylinder inlet openings 34 are located on a pitch circle 36 which is smaller in diameter than the pitch circle 16 on which the pistons 15 are arranged.
- the diameter ratio of the existing effective piston diameter 37 and the diameter 38 of the associated cylinder inlet opening 34 is approximately 1.5: 1 in the present exemplary embodiment.
- the arrangement is also such that the central axes 39 of the cylinder inlet openings 34 roughly intersect the inner wall area of the first cylinder spaces 22. This results in a size ratio of the pitch circle diameter 16 of the cylinder spaces 22, 26 to the pitch circle diameter 36 of the cylinder inlet openings of approximately 1.3: 1.
- a throttle or nozzle 42 is arranged in each channel 29, preferably in the radial bore section 32, which is dimensioned such that a pressure is established in the second cylinder spaces 26 which corresponds to approximately half the working pressure.
- the arrangement here is such that, taking into account the forces acting on the cylinder drum 11 against the control mirror 13 and away from it, forces are coordinated with one another in such a way that the cylinder drum 11 is preferably in contact with the control mirror 13 with a low pressure, so that there is a long service life ensuring oil film between the facing surfaces of the cylinder drum 11 and the control plate 14 can form. Because of the central pressure force 43 for the cylinder drum 11, which is generated by the action of the second cylinder spaces 26, it is possible to design the cylinder inlet openings 34 (diameter 38) to be relatively large, high speeds being made possible, in particular, when the axial piston machine 1 is in pump operation.
- nine pistons 15 are present. 2 shows both the assignment of the pistons 15 in question to the low-pressure and high-pressure sides ND, HD and the line connection 41 between the second cylinder spaces 26.
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Description
- Die Erfindung bezieht sich auf eine Axialkolbenmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Eine Axialkolbenmaschine dieser Bauart ist in der DE-C-707 462 beschrieben und dargestellt. Bei dieser bekannten Ausgestaltung sind die durch die Stufenflächen der Kolben begrenzten zweiten Zylinderräume miteinander und mit einem dritten mittigen Zylinderraum verbunden, dessen Kolben durch eine Feder einwärts beaufschlagt ist, so daß in den zweiten Zylinderräumen ein die Kolben gegen die Schiefscheibe beaufschlagender Druck herrscht. Die Funktion dieser bekannten Ausgestaltung ist zweifelhaft, da die Aufrechterhaltung des angestrebten Druckes in den zweiten Zylinderräumen aufgrund Leckverlusten kaum zu gewährleisten ist. Dabei ist zu berücksichtigen, daß allein durch die Kompression der zweiten Zylinderräume eine Druckerhöhung nicht erfolgt, weil die Bewegung einander gegenüberliegender Kolben gegensätzlich ist.
- Aus der DE-B-12 13 245 sind Taumelscheiben-Axialkolbenpumpen, also solche mit feststehendem Zylinder, bekanntgeworden mit einstückigen Hoch- und Niederdruckkolben und hydraulischer Rückbewegung der Kolben unter Anlage an die Taumelscheibe. Dazu sind die Rückseiten der Niederdruckkolbenteile mit einem gemeinsamen Überströmraum verbunden, wobei dieser Überströmraum über Druckventile mit dem Niederdruckzylinder und über Saugventile mit den Hochdruckzylindern in Verbindung steht. Der Überströmraum steht mit den Hochdruckzylindern nur dann in Verbindung, wenn die Hochdruckkolben sich im Saughub befinden. Die Einspeisung von Druckmittel in den Überströmraum erfolgt von der Niederdruckseite durch die Niederdruckzylinder und über deren Druckventile.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Axialkolbenmaschine der eingangs bezeichneten Art so auszugestalten, daß die Aufrechterhaltung eines an den jeweiligen Betriebszustand angepaßten Überdruckes in den zweiten Zylinderräumen für den Andruck der Kolben an die Schiefscheibe und/oder der Zylindertrommel an den Steuerspiegel gewährleistet ist.
- Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale im Anspruch 1 gelöst.
- Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung besteht eine gedrosselte Verbindung zwischen den ersten und den zweiten Zylinderräumen. Hierdurch wird nicht nur der Überdruck in den zweiten Zylinderräumen durch den Arbeitsdruck gewährleistet, sondern es stellt sich auch ein Überdruck in Abhängigkeit vom jeweiligen Arbeitsdruck ein, woraus sich die angestrebte Anpassung an den Betriebszustand ergibt. Der oder die diese Verbindung schaffende Kanal bzw. Kanäle kann dabei unmittelbar oder mittelbar zwischen den ersten und zweiten Zylinderräumen verlaufen. Wesentlich ist, daß der Arbeitsdruck sich in die zweiten Zylinderräume auszubreiten vermag und zwar in einem gedrosselten Maß, so daß die Funktion der Axialkolbenmaschine nicht beeinträchtigt wird. Hierdurch läßt sich der Andruck der Kolben an die Antriebsfläche und/oder der drehbaren Zylindertrommel an den Steuerspiegel in einfacher Weise schaffen bzw. bestimmen, und zwar in Abhängigkeit bzw. Anpassung an den Betriebszustand bzw. an den Arbeitsdruck. Ein zusätzlicher dritter Kolben, wie er bei der bekannten Ausgestaltung erforderlich ist, oder eine an sich bekannte Feder zur Beaufschlagung einer vorhandenen Zylindertrommel gegen den Steuerspiegel kann bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung entfallen.
- Die erfindungsgemäße Ausgestaltung ermöglicht auch verhältnismäßig hohe Drehzahlen im Pumpenbetrieb. Die Sauggrenzdrehzahl von Axialkolbenpumpen ist nämlich in der Hauptsache abhängig von der Größe der Zylindereintrittsöffnungen und dem Verhältnis des Teilkreisdurchmessers der Kolben zum Teilkreisdurchmesser der Zylindereintrittsöffnungen. Die Größe der Zylindereintrittsöffnungen ist direkt proportional der Größe der Querschnitte der Kolben. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung ermöglicht es, bei Axialkolbenmaschinen mit einer die Kolben aufnehmbaren drehbaren Zylindertrommel die Zylindereintrittsöffnungen im Verhältnis zum Querschnitt der Kolbendurchmesser größer auszulegen bzw. das vorgenannte Verhältnis zu verringern. Hierdurch wird die angestrebte hohe Drehzahl im Pumpenbetrieb ermöglicht. Bei üblichen Axialkolbenmaschinen mit einer drehbaren Zylindertrommel ist es nicht möglich, die Zylindereintrittsöffnungen so groß zu gestalten, wie bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung, weil aufgrund des im Betrieb der Axialkolbenmaschine sich einstellenden Druckfeldes mit einem unerwünschten Abheben der Zylindertrommel vom Steuerspiegel zu rechnen ist. Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist dagegen aufgrund des in den zweiten Zylinderräumen herrschenden Druckes nicht nur die Anlage der Kolben an der Schieffläche, sondern auch die Anlage der Zylindertrommel am Steuerspiegel gewährleistet, wobei durch eine entsprechende Bemessung des die Verbindung zwischen den ersten und zweiten Zylinderräumen schaffenden Kanals eine im wesentlichen momentenfreie Lagerung der Zylindertrommel möglich ist, wozu auch die Vermeidung einer Verkippung der Zylindertrommel zählt.
- Es ist sehr vorteilhaft, die Anordnung so auszulegen, daß in den zweiten Zylinderräumen ein Druck herrscht, der etwa dem halben Arbeitsdruck entspricht (Anspruch 2).
- Die in den Ansprüchen 3 bis 5 enthaltenen Merkmale führen zu einfachen und praktischen Ausgestaltungen, die sich einfach und preiswert herstellen lassen und eine gute Funktion gewährleisten.
- Die Ausbildung nach Anspruch 6 führt im Betrieb der Axialkolbenmaschine zu einer angestrebten Zentrifugalbeschleunigung des zufließenden Fluidstromes.
- Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in einer Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
- Fig. 1 eine erfindungsgemäß ausgestaltete Axialkolbenmaschine im axialen Schnitt;
- Fig. 2 ein Schaubild zur Erklärung der Funktion der Axialkolbenmaschine.
- Die wesentlichen Teile der in Fig. 1 allgemein mit 1 bezeichneten Axialkolbenmaschine sind ein aus einem topfförmigen Gehäuseteil 2 und einem Gehäusedeckel 3 bestehendes Gehäuse 4, eine Antriebswelle 5, die das topfförmige Gehäuseteil 2 in der Mittelachse 6 der Axialkolbenmaschine 1 durchsetzt und mittels vorzugsweise Wälzlagern 7, 8 in der radialen Wand des Gehäuseteils 2 und im Gehäusedeckel 3 gelagert ist, eine im Gehäuseraum 9 angeordnete Zylindertrommel 11, die durch die Antriebswelle 5 um die Mittelachse 6 drehbar und auf der Antriebswelle 5 sowie am Steuerspiegel 13 einer an der Innenseite des Gehäusedeckels 3 angeordneten Steuerplatte 14 gelagert ist, eine Mehrzahl Kolben 15, die auf einem Teilkreis 16 angeordnet und aufgrund einer Schieffläche 17 in axialen Kolbenbohrungen 18 der Zylindertrommel 11 verschiebbar sind, und Steuerkanälen 19, 21, die die Zylinderräume der Zylindertrommel 11 mit einer Zuführungs- und einer Abführungsleitung 23, 24 verbinden.
- Die Kolbenbohrungen 18 sind Stufenbohrungen, und die Kolben 15 sind Stufenkolben mit Stufenflächen 25, so daß sich erste Zylinderräume 22 und zweite Zylinderräume 26 ergeben. Die zweiten Zylinderräume 26 sind durch ein Kanalsystem, vorzugsweise bestehend aus einem Ringkanal 27 in der Zylindertrommel 11 und jeweils diesen mit einem zweiten Zylinderraum 26 verbindenen radialen Kanalabschnitten 26 miteinander verbunden, so daß sich im Betrieb der Axialkolbenmaschine 1 ein Druckausgleich für alle zweiten Zylinderräume 26 einstellt. Jeder erste Zylinderraum 22 ist mit dem zugehörigen zweiten Zylinderraum 26 durch einen Kanal 29 verbunden, der durch einen axialen Bohrungsabschnitt 31 und durch einen radialen Bohrungsabschnitt 32 in jedem Kolben 15 gebildet ist. Die Anordnung ist so getroffen, daß in der untersten Position jedes Kolbens 15 die radialen Kanalabschnitte 28 unterhalb der Stufenfläche 25 der Kolben 15 und die radialen Bohrungsabschnitte 32 oberhalb der Stufenfläche 33 der zweiten Zylinderräume 26 münden.
- Die Steuerkanäle 19, 21 werden durch Zylindereintrittsöffnungen 34 in Form von axialen Bohrungen in der Zylindertrommel 11 und einander diametral gegenüberliegende, nierenförmigen Steueröffnungen 35 in der Steuerplatte 14 gebildet. Die Zylindereintrittsöffnungen 34 befinden sich auf einem Teilkreis 36, der im Durchmesser geringer ist als der Teilkreis 16, auf dem die Kolben 15 angeordnet sind. Infolge dessen sind die ersten Zylinderräume 22 von den Zylindereintrittsöffnungen 34 radial innen angeschnitten. Das Durchmesserverhältnis des vorhandenen wirksamen Kolbendurchmessers 37 und des Durchmessers 38 der zugehörigen Zylindereintrittsöffnung 34 beträgt beim vorliegenden Ausführungsbeispiel etwa 1,5:1. Dabei ist die Anordnung auch so getroffen, daß die Mittelachsen 39 der Zylindereintrittsöffnungen 34 den inneren Wandungsbereich der ersten Zylinderräume 22 in etwa schneiden. Hierdurch ergibt sich ein Größenverhältnis des Teilkreisdurchmessers 16 der Zylinderräume 22, 26 zum Teilkreisdurchmesser 36 der Zylindereintrittsöffnungen von etwa 1,3: 1.
- Im Betrieb der Axialkolbenmaschine, die beim vorliegenden Ausführungsbeispiel für den Pumpenbetrieb eingerichtet ist (vgl. Strömungspfeile in der Zuführungs- bzw. Abführungsleitung 23, 24), und deren Funktion allgemein bekannt ist, und deshalb nicht beschrieben zu werden braucht, pflanzt sich der in den ersten Zylinderräumen 22 auf der Druckseite vorhandene Arbeitsdruck durch die Kanäle 29 in die zweiten Zylinderräume 26 fort, die aufgrund der allgemein mit 41 bezeichneten Leitungsverbindung gleichmäßig beaufschlagt werden, wodurch sowohl die Kolben 15 gegen die Schieffläche 17 als auch die Zylindertrommel 11 gegen den Steuerspiegel 13 beaufschlagt werden. Beim vorliegenden bevorzugten Ausführungsbeispiel ist in jedem Kanal 29, vorzugsweise im radialen Bohrungsabschnitt 32, eine Drossel bzw. Düse 42 angeordnet, die so bemessen ist, daß sich in den zweiten Zylinderräumen 26 ein Druck einstellt, der in etwa dem halben Arbeitsdruck entspricht. Die Anordnung ist hier so getroffen, daß unter Berücksichtigung der die Zylindertrommel 11 gegen den Steuerspiegel 13 und von diesem weg beaufschlagende Kräfte derart aufeinander abgestimmt sind, daß die Zylindertrommel 11 vorzugsweise mit einem geringen Druck am Steuerspiegel 13 anliegt, so daß sich ein eine lange Lebensdauer gewährleistender Ölfilm zwischen den einander zugewandten Flächen der Zylindertrommel 11 und der Steuerplatte 14 ausbilden kann. Aufgrund der mittigen, durch die Beaufschlagung der zweiten Zylinderräume 26 erzeugten Andruckkraft 43 für die Zylindertrommel 11 ist es möglich, die Zylindereintrittsöffnungen 34 (Durchmesser 38) verhältnismäßig groß auszubilden, wobei insbesondere im Pumpenbetrieb der Axialkolbenmaschine 1 hohe Drehzahlen ermöglicht werden.
- Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel sind neun Kolben 15 vorhanden. Aus Fig. 2 ist sowohl die Zuordnung der betreffenden Kolben 15 zur Niederdruck- und Hochdruckseite ND, HD als auch die Leitungsverbindung 41 zwischen den zweiten Zylinderräumen 26 zu entnehmen.
- Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, die Verbindung der Zylinderräume 22, 26 untereinander anstatt an einer Axialkolbenmaschine konstanten Durchsatzvolumens an einer solchen mit veränderlichem Durchsatzvolumen, nämlich einer Pumpe oder einem Motor, durchzuführen.
- Nachfolgend werden einige besondere Vorteile der erfindungsgemäßen Ausgestaltung angegeben:
- Durch zusätzliche Zylindertrommel-Anpressung ist eine Vergrößerung der Zylindereintrittsöffnungen 34 möglich.
- Permanente Beaufschlagung der Ringflächen aller Kolben 15 aus dem Hochdruck heraus. Durch Wirkung einer Drosselkette Reduzierung des Hochdrucks auf 50%.
- Durch die zylindermittige zusätzliche Anpreßkraft wird eine Reduzierung des Durchmessers der Steuerfläche (vgl. 36) und damit eine Zentrifugalwirkung auf den Saugstrom erreicht.
- Die druckbeaufschlagten Ringflächen der Kolben 15 sorgen bereits bei geringstem Betriebsdruck für ein einwandfreies Anliegen der vorhandenen Gleitschuhe 44 an der Schieffläche 17 bzw. Hubscheibe. Die Kolbenköpfe sind schwenkbar jedoch axial ortsfest in Kugelgelenken der Gleitschuhe gelagert. Hierdurch wird eine positive Wirkung, d.h. eine geringere Geräuschbildung, erreicht, da quasi der Effekt der Vorfüllung eintritt. Zusätzlich sind in üblicher Weise die Gleitschuhe 44 mittels einer über eine Kalotte 45 an der Zylindertrommel 11 abgestützten Rückzugsscheibe 46 an der Schieffläche 17 gehalten.
- Die Zwangsführung der Kolben 15 im Saughub ist außerordentlich kräftig und erfordert lediglich eine Initialunterstützung in der Anlaufphase, d.h., auf eine aufwendige Kolbenrückzugseinrichtung kann auch verzichtet werden.
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