EP2771571A1

EP2771571A1 - Hydrostatische kolbenmaschine

Info

Publication number: EP2771571A1
Application number: EP12772109.0A
Authority: EP
Inventors: Andreas Beiter; Ruslan Rudik; Olof Schmitz; Timo Nafz; Lars MANNSDOERFER
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-10-27
Filing date: 2012-10-11
Publication date: 2014-09-03
Also published as: CN103958893A; CN103958893B; DE102011117081A1; WO2013060576A1

Abstract

Hydrostatische Kolbenmaschine Offenbart ist eine hydrostatische Kolbenmaschine, insbesondere eine Axialkolbenmaschine, die eine Mehrzahl von Kolbenräumen aufweist, indenen Kolben eine Hubbewegung ausführen. Ein jeweiliger Kolbenraum ist hierbei über eine Steueröffnung jeweils mit einer Niederdruck-und Hochdrucköffnung wechselweise verbindbar. Zwischen der Niederdruck-und der Hochdrucköffnung sind Umsteuerbereiche vorgesehen, über die ein jeweiliger Kolbenraum im Übergang zwischen der Niederdruck-und der Hochdrucköffnung bewegt wird. In einem jeweiligen Umsteuerbereich ist eine Ausmündung vorgesehen, über die ein jeweiliger Kolbenraum mit einem Speicherelement, insbesondere einem Pre-Compression Volume verbindbar ist, wenn seine Steueröffnung sich mit einer der Ausmündungen im Betrieb der Kolbenmaschine überschneidet.

Description

Hydrostatische Kolbenmaschine Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine hydrostatische Kolbenmaschine, insbesondere eine Axialkolbenmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 .

In der DE 42 29 544 A1 ist eine derartige Kolbenmaschine offenbart, bei der es sich um eine Axialkolbenmaschine handelt. Diese hat eine auf einer Triebwelle angeordnete Zylindertrommel mit einer Vielzahl von Kolbenräumen in denen jeweils ein Kolben bewegbar geführt ist. Ein jeweiliger Kolbenraum ist jeweils über eine stirnseitig der Zylindertrommel eingebrachte Steueröffnung wechselweise mit einer in einer Steuerscheibe eingebrachten nierenförmigen Niederdruck- und Hochdrucköffnung verbindbar. Die Zylindertrommel gleitet im Betrieb stirnseitig an der Steuerscheibe ab. Die Niederdruck- und Hochdrucköffnungen liegen auf einem gemeinsamen Teilkreis und sind in Um- fangsrichtung voneinander beabstandet, wodurch zwei Umsteuerbereiche gebildet sind. Ein jeweiliger Kolben befindet sich in dem Einem dieser Umsteuerbereiche im Bereich seines untern Totpunktes bzw. Bottom Dead Center (BDC) und in dem Anderen dieser Umsteuerbereich im Bereich seines oberen Totpunktes bzw. Top Dead Center (TDC). In dem Umsteuerbereich, in dem sich ein jeweiliger Kolben im Bereich seines BDC befindet, mündet ein Kanal mit einer Kanalmündung, der mit einem Pre-Compression Volume (PCV) verbunden ist. Das PCV wiederum ist mit der Hochdrucköffnung über eine Schieberventil und eine Drossel verbunden, wodurch das PCV mit Hochdruck versorgbar ist und sich bei geöffneten Schieberventil langsam über die Drossel auflädt. Der Kanal im Umsteuerbereich mündet in Radialrichtung gesehen außerhalb des maximalen Durchmessers der Niederdruck- und Hochdrucköffnung. Die Steueröffnung eines jeweiligen Kolbenraums weist einen Öffnungsabschnitt auf, der ebenfalls außerhalb des maximalen Durchmessers der Niederdruck- und Hochdrucköffnung liegt, damit sich die Steueröffnung mit dem Kanal überschneiden kann.

Bei einer Relativbewegung der Zylindertrommel zur Steuerscheibe überstreicht die Steueröffnung eines jeweiligen Kolbenraums den die Kanalmündung aufweisenden Umsteuerbereich, wodurch ein vom Kolbenraum und vom Kolben begrenzter Arbeitsraum über den Kanal mit dem Speicher während einer bestimmten Kontaktzeit verbunden ist und ein Druck im Arbeitsraum sich an den Druck des PCV schnell annähert, während das PCV langsam mit Hochdruck durch die gedrosselte und ventilgesteuerte Verbindung zur Hochdrucköffnung aufgeladen wird. Der Arbeitsraum wird somit vor der Verbindung mit der Hochdrucköffnung mit Druckmittel unter einem bestimmten Druck befüllt, was zu einer Verminderung von Druckmittelpulsationen der Kolbenmaschine führt. Die Ursache der Druckmittelpulsationen liegt darin, dass beim Übergang des Kolbenraums der Kolbenmaschine von der Niederdruck- zu der Hochdrucköffnung ein Druckunterschied überwunden werden muss. Dies führt neben Druckmittelpulsationen zu Vibrationen, Geräuschentwicklungen und Schäden aufgrund von Kavitation.

Die beschriebene Lösung hat den Nachteil, dass der Arbeitsraum zur Druckerhöhung mit Druckmittel der Hochdrucköffnung versorgt wird, was einen zusätzlichen Energieaufwand zur Folge hat. Hierdurch hat eine derartige Kolbenmaschine einen vergleichsweise geringen Wirkungsgrad. Des Weiteren ist eine derartige Kolbenmaschine aufgrund der Drossel und des Ventils in der Druckmittelverbindung zwischen Hochdrucköffnung und PCV vorrichtungstechnisch recht aufwendig ausgestaltet.

Die Druckschrift DE 10 2008 061 349 A1 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Kolbenmaschine in Form einer Axialkolbenmaschine. Hierbei ist ebenfalls eine Steuerscheibe mit einer nierenförmigen Niederdruck- und Hochdrucköffnung vorgesehen. In einem jeweiligen Umsteuerbereich zwischen der Niederdruck- und der Hochdrucköffnung mündet jeweils ein Kanal mit einer Kanalmündung. Der Kanal, der in dem

Umsteuerbereich mündet, bei dem sich ein jeweiliger Kolben einer Zylindertrommel der Axialkolbenmaschine im Bereich seines BDC befindet, ist über ein Schaltventil mit der Hochdrucköffnung oder einem PCV verbindbar. Der in dem anderen Umsteuerbereich mündende Kanal ist über ein Schaltventil mit der Niederdrucköffnung oder dem PCV verbunden. Durch diese Anordnung ist es im Unterschied zur vorstehend erläuterten Lösung möglich, das PCV nicht nur über die Hochdrucköffnung mit Druck zu versorgen bzw. aufzuladen, sondern auch durch einen Druck eines durch einen jeweiligen Kolben begrenzten Arbeitsraum. Ein jeweiliger Arbeitsraum der Zylindertrommel wird hierzu bei Überstreichen seiner Steueröffnung über den Umsteuerbereich, in dem sich ein jeweili- ger Kolben im Bereich seines TDC befindet, über den in diesen Umsteuerbereich mündenden Kanal und das Steuerventil mit dem PCV verbunden, während die Verbindung zwischen dem PCV und dem anderen Umsteuerbereich durch das weitere Steuerventil unterbrochen ist. Durch die Kanäle erfolgt somit ein sanfter Druckauf- und Druckabbau, womit das Geräuschverhalten der Kolbenmaschine verbessert ist.

Nachteilig bei dieser Lösung ist die vorrichtungstechnisch äußerst aufwendige Ausgestaltung der Kolbenmaschine mit der Vielzahl an Druckmittelkanälen und den beiden Ventilen zur Steuerung des PCV.

Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde eine Kolbenmaschine zu schaffen, die die genannten Nachteile beseitigt.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine hydrostatische Kolbenmaschine gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 .

Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.

Erfindungsgemäß hat eine hydrostatische Kolbenmaschine, insbesondere eine Axialkolbenmaschine eine Mehrzahl von Kolbenräumen, in denen jeweils ein eine Hubbewegung ausführbarer Kolben angeordnet ist. Ein jeweiliger Kolbenraum ist über eine Steueröffnung wechselweise mit einer Niederdruck- und Hochdruckoffnung eines Steuerteils verbunden, wobei es sich bei dem Steuerteil um eine Steuerscheibe handeln kann. Die Niederdruck- und die Hochdruckoffnung sind über zwei Umsteuerbereiche voneinander getrennt, die sich insbesondere etwa im Bereich einer jeweiligen Totpunktlage des Kolbens befinden. In einem jeweiligen Umsteuerbereich ist jeweils eine Ausmündung vorgesehen, die mit einem Speicherelement (Pressure Recuperation Volume (PRV)) verbunden ist. Die Ausmündungen, die Niederdruck- und Hochdruckoffnung und die Steueröffnungen der Kolbenräume sind dabei derart angeordnet, dass das PRV von dem Kolbenraum, der sich im Einsatz der Kolbenmaschine von der Hochdruckoffnung zur Niederdrucköffnung bewegt, aufgeladen wird, und dass das PRV den Kolbenraum, der sich von der Niederdrucköffnung zur Hochdruckoffnung bewegt, auflädt. Diese Lösung hat den Vorteil, dass im Unterschied zum Stand der Technik keine zusätzlichen Ventile und eine Vielzahl von Druckmittelkanälen zur Druckregelung des PRV und der Kolbenräume im Umsteuerbereich notwendig sind, wodurch eine derartige Kolbenmaschine vorrichtungstechnisch äußerst einfach und kostengünstig ausgestaltet ist. Des Weiteren wird der Speicher vorteilhafterweise durch den sich von der Hoch- drucköffnung zur Niederdrucköffnung über den Umsteuerbereich sich bewegenden Kolbenraum aufgeladen. Eine Druckenergie dieses Kolbenraums lädt dann das PRV auf, bevor der Druck des Kolbenraums über die Niederdrucköffnung abgebaut wird. Eine zusätzliche Energie zum Laden des PRV ist somit nicht mehr notwendig, wodurch die Kolbenmaschine einen vergleichsweise hohen Wirkungsgrad aufweist.

Mit Vorteil begrenzt der Kolben zusammen mit dem Kolbenraum ein Totvolumen, das deutlich geringer als ein Speichervolumen bzw. Rekuperationsvolumen des PRV ist. Hierdurch steht genügend Druckmittel zur Versorgung eines Kolbenraums im

Umsteuerbereich durch das PRV zur Verfügung. Des Weiteren ist hierdurch auch ein Druckabfall im PRV bei einer Verbindung mit dem aufzuladenden Kolbenraum vergleichsweise gering.

Als besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn das Speichervolumen zumindest 7,5- mal so groß wie das Totvolumen ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Steueröffnungen, die Niederdruck- und Hochdrucköffnung und die Ausmündungen derart ausgestaltet, dass eine jeweilige Steueröffnung bei einer Verbindung des Kolbenraums mit einer jeweiligen Ausmündung nicht mit der Niederdruck- und Hochdrucköffnung verbunden ist, wodurch eine eine Verlustenergie hervorrufende Verbindung zwischen Niederdruck- oder Hochdrucköffnung und dem PRV vermieden wird. Das PRV ist somit nur mit den Kolbenräumen in Druckmittelverbindung.

Die Ausmündungen können dabei im Vergleich zueinander unterschiedliche Öffnungsquerschnitte haben. Hierbei weisen sie beispielsweise eine unterschiedliche Längenum- fangsrichtung bezüglich der Drehachse und/oder eine unterschiedliche Breite in Radial- richtung auf. Durch die Länge in Umfangsrichtung der insbesondere schlitzförmigen Ausmündungen wird somit im Wesentlichen eine Kontaktzeit zwischen der jeweiligen Ausmündung und der jeweiligen Steueröffnung bestimmt, während eine Überschneidungsbreite in Radialrichtung zwischen der jeweiligen Ausmündung und der jeweiligen Steueröffnung den Druckmittelvolumenstrom zwischen dem Speicherelement und dem Kolbenraum festlegt.

Die Ausmündungen und/oder die Steueröffnung sind dabei vorzugsweise derart ausgestaltet, dass bei einer Überschneidung ein Aufgrund der Volumen des PRV und des Kolbenraums maximal möglicher Druckmittelvolumenstrom zwischen dem PRV und dem Kolbenraum ausgetauscht wird, womit eine maximale Energierückgewinnung möglich ist.

Des Weiteren sind die Ausmündungen und/oder die Steueröffnung insbesondere derart ausgelegt, dass eine jeweilige Ausmündung frühest möglich mit dem Kolbenraum verbunden ist, nachdem die Steueröffnung nicht mehr in Verbindung mit der Niederdruckoder Hochdrucköffnung ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die Verbindung zwischen den Ausmündungen und der Steueröffnung dann getrennt, wenn der Druck des Speicherelements und des Kolbenraums in etwa gleich ist.

Bevorzugterweise sind die Ausmündungen, in Radialrichtung von einer Drehachse der Kolbenmaschine aus gesehen, außerhalb eines maximalen Außendurchmessers der Niederdruck- und/oder Hochdrucköffnung in dem Steuerteil ausgebildet, wobei davon ausgegangen wird, dass die Niederdruck- und/oder Hochdrucköffnung einen im Wesentlichen konstanten Außendurchmesser aufweisen. Des Weiteren weisen die Steueröffnungen der Kolbenräume einen ebenfalls außerhalb des Außendurchmessers liegenden Öffnungsabschnitt auf. Hierdurch kann eine Geometrie der Ausmündung und der Steueröffnung äußerst flexibel im Hinblick auf eine Kontaktzeit bei einer Überschneidung einer Ausmündung mit einer Steueröffnung und eine Größe eines Druckmittelvolumenstroms zwischen dem PRV und einem jeweiligen Kolbenraum ausgelegt werden. Der Öffnungsabschnitt kann in Umfangsrichtung der Steueröffnung um eine Drehachse gesehen beispielsweise mittig von dieser ausgebildet sein und eine u-Form aufweisen. Des Weiteren ist der Öffnungsabschnitt mit Vorteil in der Umfangsrichtung der Steueröffnung wesentlich kürzer als die Steueröffnung.

Um den Überschneidungsbereich zwischen der Steueröffnung und den Ausmündungen zu erhöhen, können die Ausmündungen schlitzförmig ausgebildet sein und sich dabei etwa in einer Umfangsrichtung bezüglich der Drehachse erstrecken.

Zusätzlich oder alternativ können die Ausmündungen in einer Lagerhülse eines Gleitlagers einer die Kolbenräume aufweisenden Zylindertrommel ausgebildet sein. Ein jeweiliger Kolbenraum hat dann zusätzlich zur Steueröffnung eine wechselweise mit den Ausmündungen verbindbare weitere Steueröffnung bzw. Umsteueröffnung. Diese Lösung hat den Vorteil, dass die weiteren Steueröffnungen bzw. die Umsteueröffnungen aufgrund der Ausbildung in einem anderen Bauteil als die Steuerscheibe im Wesentlichen unabhängig von der sich mit der Niederdruck- und Hochdrucköffnung überschneidenden Steueröffnung ausgestaltet werden können.

Vorzugsweise ist eine jeweilige Umsteueröffnung in Radialrichtung in die Zylindertrommel eingebracht.

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungen der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 in einer Draufsicht eine Steuerscheibe einer erfindungsgemäßen Kolbenmaschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

Figur 2 in einer Untersicht eine Zylindertrommel der Kolbenmaschine gemäß dem

ersten Ausführungsbeispiel,

Figur 3 einen schematisch dargestellten Ausschnitt der Steuerscheibe der Kolbenmaschine gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,

Figuren 4 und 5 jeweils ein vereinfachtes Diagramm mit verschiedenen Parametern der Kolbenmaschine gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel und Figur 6 in einer schematischen Darstellung eine Kolbenmaschine gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.

In der Figur 1 ist zur Erläuterung der erfindungsgemäßen hydrostatischen Kolbenmaschine ein Steuerteil in Form einer Steuerscheibe 1 in einer Draufsicht dargestellt. Bei der Kolbenmaschine handelt es sich um eine Axialkolbenpumpe. Der grundsätzliche Aufbau einer Axialkolbenpumpe ist aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt, weswegen auf eine vollständige Erläuterung im Folgenden verzichtet werden kann.

Die Steuerscheibe 1 hat eine nierenförmige Niederdrucköffnung 2 und eine nierenför- mige Hochdrucköffnung 4, die durch zwei Stege 6 zur mechanischen Festigkeitserhöhung in drei im Wesentlichen gleiche Abschnitte geteilt ist. Die Niederdruck- und Hochdrucköffnung 2 und 4 erstrecken sich abschnittsweise entlang eines gemeinsamen Kreises. Die Steuerscheibe 1 ist ringförmig ausgestaltet und hat mittig eine kreisförmige Aussparung 8 durch die eine Triebwelle der Axialkolbenpumpe durchführbar ist. Die Niederdrucköffnung 2 ist mit einem Niederdruckanschluss und die Hochdrucköffnung 4 mit einem Hochdruckanschluss der Axialkolbenpumpe verbunden. Die

Umsteuerbereiche

In der Figur 2 ist in einer Untersicht eine Zylindertrommel 10 der Axialkolbenpumpe dargestellt. Diese gleitet im Betrieb der Axialkolbenpumpe mit ihrer Stirnseite 12 auf einer Gleitfläche 14 der Steuerscheibe 1 aus Figur 1 . In die Stirnseite 12 münden eine Vielzahl von Steueröffnungen 16, die jeweils nierenförmig ausgestaltet sind und sich entlang eines gemeinsamen Kreises abschnittsweise erstrecken. Eine jeweilige Steueröffnung 16 ist dabei mit einem im Parallelabstand zur Drehachse der Zylindertrommel 10 eingebrachten nicht dargestellten Kolbenraum verbunden, in dem ein Kolben bewegbar geführt ist und einen Arbeitsraum begrenzt.

Im Betrieb der Kolbenmaschine gelangen die Steueröffnungen 16 bei einer Drehrichtung gegen den Uhrzeigersinn in Figur 1 wechselweise mit der Niederdrucköffnung 2 und der Hochdrucköffnung 4 in Verbindung. Eine Hubbewegung der in der Zylindertrommel 10 angeordneten Kolben erfolgt dabei derart, dass diese im Bereich der Hoch- druckoffnung 4 einen Druckhub ausführen und im Bereich der Niederdrucköffnung 2 einen Saughub.

In der Figur 1 ist in Drehrichtung gegen den Uhrzeigersinn gesehen zwischen der Nie- derdrucköffnung 2 und der Hochdrucköffnung 4 ein erster Umsteuerbereich 18 und zwischen der Hochdrucköffnung 4 und der Niederdrucköffnung 2 ein zweiter

Umsteuerbereich 20 vorgesehen. Die Umsteuerbereiche liegen hierbei in den Totbereichen der Kolbenbewegung. Im ersten Umsteuerbereich 18 befindet sich der Kolben im Bereich seines äußeren Totpunkts und im zweiten Umsteuerbereich 20 im Bereich seines inneren Totpunkts. Der erste Umsteuerbereich 18 ist demnach derjenige

Umsteuerbereich, bei dem bei einer Förderung von Druckmittel durch die Axialkolbenpumpe ein Übergang der Steueröffnung 16 aus Figur 2 von der Niederdrucköffnung 2 zur Hochdrucköffnung 4 erfolgt und der zweite Umsteuerbereich 20 ist dabei derjenige Umsteuerbereich, bei ein Übergang der Steueröffnung 16 von der Hochdrucköffnung 4 zur Niederdrucköffnung 2 erfolgt.

Der Kolbenraum wird während des Kontakts seiner Steueröffnung 16 mit der Niederdrucköffnung 2 mit Druckmittel befüllt, wobei das Druckniveau in dem Kolbenraum etwa mit dem Druckniveau der Niederdrucköffnung 2 übereinstimmt. Im Kontakt mit der Hochdrucköffnung 4 wird aus dem Kolbenraum 16 Druckmittel verdrängt, wobei hier das Druckniveau im Kolbenraum etwa dem Druckniveau der Hochdrucköffnung 4 entspricht. Zur Vermeidung von Druckstößen, wenn der Kolbenraum nach den

Umsteuerbereichen 18 und 20 mit der Niederdruck- oder Hochdrucköffnung 2 oder 4 in Kontakt tritt, sind in einem jeweiligen Umsteuerbereich 18 bzw. 20 eine Ausmündung 22 beziehungsweise 24 in die Steuerscheibe 1 eingebracht. Der jeweilige Umsteuerbereich 18 beziehungsweise 22 ist hierbei über die jeweilige Ausmündung 22 beziehungsweise 24 ist und über eine Druckmittelleitung 26 beziehungsweise 28 direkt mit einem Speicherelement 30 verbunden. Das Speicherelement 30 ist hierbei als Aussparung in eine Abschlussplatte der Axialkolbenpumpe eingebracht, wobei die Aussparung einfach zusammen mit der Abschlussplatte im Gussverfahren hergestellt werden kann. Die Ausmündungen 22 und 24 sind in der Figur 1 schematisch dargestellt und werden in der Figur 3 vergrößert abgebildet. In der Figur 3 ist erkennbar, dass die Ausmündungen 22 und 24 schlitzförmig ausgebildet sind und sich entlang eines gemeinsamen Kreises abschnittsweise erstrecken. In der Figur 3 sind zur besseren Erläuterung einige Umfangsformen von Steueröffnungen 16 aus Figur 2 schematisch neben einem Endabschnitt der Hochdrucköffnung 4 und zwei Endabschnitten der Niederdrucköffnung 2 dargestellt. Die Ausmündungen 22 und 24 sind außerhalb eines maximalen Außendurchmessers der Niederdruck- und Hochdrucköffnung 2 und 4 in der Steuerscheibe 1 aus Figur 1 ausgebildet.

Aus Figur 3 ist ersichtlich, dass die Steueröffnungen 16 in Radialrichtung im Wesentlichen eine gleiche Breite wie die Niederdruck- und Hochdrucköffnung 2, 4 aufweisen und sich entlang des gleichen Kreises wie die Niederdruck- und Hochdrucköffnung 2, 4 erstrecken. Damit sich die Steueröffnungen 16 und die Ausmündungen 22, 24 in der Figur 3 bei einer Drehung der Zylindertrommel 10 überschneiden, weisen die Steueröffnungen 16 zusätzlich einen u-förmigen Öffnungsquerschnitt 32, siehe auch Figur 2, auf. Dieser ist bei einer jeweiligen Steueröffnung 16 in Umfangsrichtung gesehen etwa mittig ausgebildet und erstreckt sich radial nach außen. Seine Länge in Umfangsrichtung ist dabei wesentlich geringer als der Hauptabschnitt der Steueröffnung 16.

Bei einer Drehung des Zylinders 10 aus Figur 2 überschneiden sich der Öffnungsquerschnitt 32, siehe Figur 3 der Steueröffnung 16 und die Ausmündungen 22 bzw. 24, wodurch eine Verbindung zwischen dem Kolbenraum und dem Speicherelement 30 aus Figur 1 hergestellt wird. Eine Länge der schlitzförmigen Ausmündungen 22 und 24 und des Öffnungsquerschnitts 32 in Umfangsrichtung ist dabei derart ausgelegt, dass bei einer Überschneidung der Ausmündungen 22 und 24 mit dem Öffnungsquerschnitt 32 die Steueröffnung 16 vollständig im Umsteuerbereich 18 bzw. 20 aus Figur 1 liegt und somit keine Verbindung zur Niederdruck- oder Hochdrucköffnung 2 oder 4 vorliegt. Dies wird durch die schematisch dargestellten Steueröffnungen 16 in der Figur 3 verdeutlicht. Die in dieser Figur rechte Steueröffnung 16 ist dabei in einer Position gezeigt, bei der sie bei einer Drehung der Zylindertrommel 10 gegen den Uhrzeigersinn, was durch den Pfeil 34 verdeutlicht ist, unmittelbar nach der Niederdrucköffnung 2 angeordnet ist und hierbei der Öffnungsquerschnitt 32 unmittelbar von der rechten Ausmündung 22 liegt. Bei einer weiteren Drehung dieser Steueröffnung 16 gegen den Uhrzeigersinn würde der Öffnungsquerschnitt 32 sich mit der Ausmündung 22 überschneiden. Die Über- Scheidung endet bevor die Steueröffnung 16 in Kontakt mit der Hochdrucköffnung 4 gelangt. Das gleiche gilt für die in der Figur 3 links eingezeichnete Steueröffnung 16, die unmittelbar nach der Hochdrucköffnung 4 mit seinem Öffnungsquerschnitt 32 vor der Ausmündung 24 liegt. Bei einer weiteren Drehung gegen den Uhrzeigersinn gelangt diese Steueröffnung 16 somit erst nach der Hochdrucköffnung 4 mit der Ausnehmung 24 in Überschneidung. Diese Überschneidung endet bevor die Steueröffnung 16 in Kontakt mit der Niederdrucköffnung 2 gelangt. Das Speicherelement 30 wird somit nach dem Drehschieberprinzip mit den Kolbenräumen verbunden.

Im Folgenden wird die Funktionsweise der Axialkolbenpumpe aus den Figuren 1 bis 3 anhand von Maschinenparametern erläutert, die schematisch in Diagrammen in den Figuren 4 und 5 dargestellt sind. In diesen sind mehrere Kurven über eine Zeit s aufgetragen. In Figur 4 ist beispielhaft anhand verschiedener Parameter ein

Aufsteuervorgang dargestellt, bei dem ein jeweiliger Kolbenraum von der Niederdrucköffnung 2 aus Figur 1 über den Umsteuerbereich 18 zur Hochdrucköffnung 4 gelangt, wobei er im Umsteuerbereich vorkomprimiert wird. Figur 5 zeigt beispielhaft anhand der verschiedenen Parameter einen Absteuervorgang, bei dem ein jeweiliger Kolbenraum von der Hochdrucköffnung 4 aus Figur 1 über den Umsteuerbereich 20 zur Niederdrucköffnung 2 gelangt, wobei im Umsteuerbereich Druck im Kolbenraum abgebaut und zur Aufladung des Speicherelements 30 verwendet wird.

Eine in der Figur 4 untere Kurve 36 stellt dabei die Kontaktzeit zwischen dem Öffnungsquerschnitt 32 und der Ausmündung 22 aus Figur 3 schematisch dar, wobei hohe Werte der Kurve 36 eine Überschneidung bedeuten, die etwa in der Kontaktzeit zwischen 0,08 und 0,08102 erfolgt.

Eine in der Figur 4 etwa mittig angeordnete Kurve 38 zeigt qualitativ einen Förderstrom eines Druckmittels, das vom Kolbenraum über die in der Figur 3 rechts angeordneten Öffnungsquerschnitt 32, die Ausmündung 22 und die Druckmittelleitung 26 aus Figur 1 zum Speicherelement 30 gelangt. Hierbei ist erkennbar, dass nur in der Kontaktzeit 0,08 bis 0,08102 Druckmittel ausgetauscht wird, wobei der Förderstrom zu Beginn der Überschneidung zwischen der Steueröffnung 16 und der Ausmündung 22 stark ansteigt und anschließend langsam abfällt. Kurz bevor der Kontakt bzw. die Überschneidung zwischen der Steueröffnung 16 und der Ausmündung 22 endet ist auch der Förderstrom im Wesentlichen Null.

Eine Kurve 40 und eine Kurve 42 zeigen Druckverläufe an. Die an der y-Achse angegebenen Zahlenwerte und der angegebene Parameter„Druck" gelten nur für diese beiden Kurven.

Die Kurve 40 zeigt den Druckverlauf im Kolbenraum über die Kontaktzeit. Bei 0,08 Sekunden, also zu Beginn der Überschneidung zwischen Steueröffnung 16 und der Ausmündung 22, ist der Druck im Kolbenraum etwa Null und steigt dann bis zum Ende der Kontaktzeit bei 0,08102 Sekunden auf etwa 1 10 bar an. Nach der Kontaktzeit steigt der Druck noch weiter an, da die Steueröffnung 16 sich mit der Hochdrucköffnung 4 aus Figur 3 überschneidet. Der Druck steigt dann im Kolbenraum auf etwa 300 bar, was dem Druck in der Hochdrucköffnung 4 entspricht.

Eine Kurve 42 in dem Diagramm in Figur 4 stellt den Druck in dem Speicherelement 30 aus Figur 1 dar. Der Druck in dem Speicherelement 30 beträgt hierbei vor einer Überscheidung der Steueröffnung 16 mit der Ausmündung 22 in Figur 3 etwa 130 bar. Nach Kontakt der Steueröffnung 16 mit der Ausmündung 22 fällt der Druck im Speicherelement 30 leicht ab, während gleichzeitig der Druck im Kolbenraum, siehe Kurve 40, stark ansteigt. Die Drücke des Kolbenraums und des Speicherelements 30 gleichen sich somit in der Kontaktzeit aneinander an. Am Ende der Kontaktzeit sind die Drücke dabei im Wesentlichen bei etwa 1 10 bar ausgeglichen. Der Druckabfall im Speicherelement 30 aus Figur 1 ist hierbei deutlich geringer als der Druckanstieg im Kolbenraum. Dies liegt daran, dass ein Volumen des Speicherelements deutlich größer als einer vom Kolbenraum und Kolben begrenzter Arbeitsraum ist. Als vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn das Volumen des Speicherelements 30 etwa 7,5 Mal so groß wie ein Totvolumen in einem jeweiligen Kolbenraum ist. Das Speicherelement 30 wird in Verbindung mit einem aufzuladenden Kolbenraum somit nicht vollständig entladen.

Die Steueröffnungen 16 der Zylindertrommel 10 sind dabei derart ausgebildet und angeordnet, dass jeweils nur eine Steueröffnung 16 mit dem Umsteuerbereich 18 oder 20 in Kontakt ist. Dies wird anhand einer Kurve 44 in der Figur 4 verdeutlicht, die als gera- de Linie eingezeichnet ist. Dies stellt den Förderstrom durch die Ausmündung 24 links in der Figur 3 dar. Da bei einer Überschneidung der in der Figur 3 rechten Steueröffnung mit der Ausmündung 22 eben keine Überschneidung einer Steueröffnung 16 mit der in der Figur 3 linken Ausmündung 24 stattfindet, ist der Förderstrom während der Kontaktzeit Null.

Der Absteuervorgang, bei dem die Steueröffnung 16 des Kolbenraums von der Hoch- drucköffnung 4 zur Niederdrucköffnung 2 bei einer Drehung gegen den Uhrzeigersinn in Figur 3 bewegt wird, ist anhand des Diagramms in Figur 5 näher erläutert. Hierbei sind die Verläufe der Kurven 36 bis 44 aus Figur 4 beim Absteuervorgang dargestellt. Die untere Kurve 36 zeigt hierbei Öffnungsverlauf und damit die Kontaktzeit zwischen dem Öffnungsquerschnitt 32 der Steueröffnung 16 und der Ausmündung 24 in Figur 3, wobei die Überschneidung etwa in der Zeit zwischen 0,1002 und 0,1012 Sekunden stattfindet. Der Förderstrom der Aufsteuerung, was durch die Kurve 38 in der Figur 5 verdeutlicht ist, ist hier bei Null. Der Druck im Kolbenraum, siehe Kurve 40, beträgt vor einer Überschneidung mit der Ausmündung 24 etwa 300 bar und fällt dann etwa während der Kontaktzeit auf 130 bar ab. Nach der Überschneidung sinkt der Druck im Kolbenraum weiter, da die Steueröffnung 16 in der Figur 3 sich mit der Niederdrucköffnung 2 überschneidet, wodurch Druck im Kolbenraum zur Niederdrucköffnung 2 abgebaut wird. Während der Druck im Kolbenraum in der Kontaktzeit fällt, steigt der Druck im Speicherelement 30, siehe Figur 1 , an, was die Kurve 42 in der Figur 5 darstellt. Der Druck steigt hier etwa von 1 10 bar auf 130 bar an, womit die Drücke im Kolbenraum und im Speicherelement 30 am Ende der Kontaktzeit etwa gleich sind. Das Speicherelement 30 wird somit wieder mit Druckmittel aus dem Kolbenraum während der Kontaktzeit aufgefüllt, womit eine Energierückgewinnung ermöglicht ist. Das Druckmittel im Kolbenraum dient somit zum Aufladen des Speicherelements 30 und strömt nicht ungenutzt zur Niederdrucköffnung 2 ab. Hierdurch ist ein Wirkungsgrad der Kolbenmaschine vergleichsweise hoch, da die beim Absteuervorgang entstehende Verlustenergie durch das Speicherelement 30 gespeichert wird und beim Aufsteuervorgang genutzt wird.

Eine Kontaktzeit der Steueröffnung 16 mit der Ausmündung 22 bzw. 24 in der Figur 3 kann durch deren Ausgestaltung eingestellt werden. Eine Länge der Ausmündung 22 und 24 in Umfangsrichtung beeinflusst hierbei die Kontaktzeit, wobei bei einer größeren Länge sich entsprechend die Kontaktzeit erhöht. Des weiteren wird eine Breite des Überschneidungsbereichs bzw. eine Breite der Ausmündungen 22 und 24 in Radialrichtung und eine Breite des Öffnungsquerschnitts 32 derart gewählt, dass in der Kontaktzeit sich die Drücke im Kolbenraum und im Speicherelement 30, siehe Figur 1 , im Wesentlichen angleichen. Idealerweise endet jeweils eine Überschneidung der Steueröffnung 16 mit der Ausmündung 22 bzw. 24, wenn ein Druckausgleich zwischen dem Kolbenraum und dem Speicherelement 30 erfolgt ist. Eine Überschneidung zwischen der Steueröffnung 16 und Ausmündung 22 bzw. 24 erfolgt vorzugsweise kurz nach dem eine Überschneidung zwischen dieser Steueröffnung 16 mit der Niederdruck- bzw. Hochdrucköffnung 2 bzw. 4 endet. Somit werden die Kontaktseiten derart ausgelegt, dass ein maximal möglicher Förderstrom zwischen Kolbenraum und Speicherelement 30 ausgetauscht werden kann, was zu einer maximalen Energierückgewinnung führt. Das Speicherelement 30 wird somit nach dem Drehschieberprinzip mit den Kolbenräumen verbunden.

Figur 6 stellt in einer schematischen Ansicht eine Kolbenmaschine in Form einer Axialkolbenpumpe gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel dar. Ausmündungen 46 und 48 sind im Unterschied zum vorhergehenden Ausführungsbeispiel nicht in einer Steuerscheibe, sondern in einer Lagerbuchse 50 ausgebildet, in der eine Zylindertrommel 52 gleitend gelagert ist.

Die Zylindertrommel 52 ist fest mit einer Triebwelle 54 verbunden, die in ihren Endabschnitten über Drehlager 56 und 58 in einem nicht dargestellten Maschinengehäuse gelagert ist. In der Zylindertrommel 52 sind eine Vielzahl von Kolbenräumen im Parallelabstand zur Drehachse 60 eingebracht, wobei in der Figur 6 ein oberer Kolbenraum 62 und ein unterer Kolbenraum 64 dargestellt sind. In den Kolbenräumen ist jeweils ein Kolben bewegbar geführt, wobei in der Figur 6 ein Kolben 66 im Kolbenraum 62 und ein Kolben 68 im Kolbenraum 64 dargestellt ist. Ein jeweiliger Kolben 66 und 68 ist auf seiner von der Zylindertrommel 52 abweisenden Seite gelenkig mit einem Kolbenfuß 70 bzw. 72 verbunden über die die Kolben 66 und 68 bei einer Drehung der Zylindertrommel 52 an einer Schrägscheibe 74 abgleiten. Die Zylindertrommel 52 ist gleitend mit seiner Außenmantelfläche 76 in der Lagerbuchse 50 gelagert. Der besseren Übersichtlichkeit halber sind in der Figur 6 die Außenmantelfläche 76 der Zylindertrommel 52 und eine Innenmantelfläche 78 der Lagerbuchse 50 deutlich beabstandet zueinander dargestellt.

Die in der Figur 6 obere Ausmündung 46 ist über eine Druckmittelleitung 80 mit einem Speicherelement beziehungsweise PRV 82 und die untere Ausmündung 48 ist mit dem PRV 82 über eine Druckmittelleitung 84 verbunden. Die Ausmündungen 46 und 48 sind dabei in einem Umsteuerbereich der Kolbenmaschine angeordnet. Die in der Figur 6 obere Ausmündung 46 dient dabei zum Aufbau eines Drucks in einem Kolbenraum zwischen einer Niederdruck- und einer Hochdrucköffnung, während die untere Ausmündung 48 zum Abbau eines Drucks in einem Kolbenraum zwischen einer Hochdruck- und einer Niederdrucköffnung dient. Dies wird durch Pfeile 86 und 88 verdeutlicht, die einen Förderstrom von bzw. zum PRV 82 darstellen. Über die obere Ausmündung 46 strömt somit ein Förderstrom vom PRV 82 zu einem Kolbenraum, während über die untere Ausmündung 48 ein Förderstrom von einem Kolbenraum zum PRV 82 strömt. Zum Verbinden eines Kolbenraums mit einer Ausmündung 46 und 48 ist radial in die Zylindertrommel 52 jeweils eine weitere Steueröffnung beziehungsweise Umsteueröffnung zu einem jeweiligen Kolbenraum eingebracht. Zum Kolbenraum 62 führt in der Figur 6 dabei eine Umsteueröffnung 90 und zum Kolbenraum 64 eine Umsteueröffnung 92.

Figur 6 stellt in einer Draufsicht zusätzlich die Zylindertrommel 52 dar. Hierbei sind eine Vielzahl von kreiszylinderförmigen Kolbenräumen 94 erkennbar, denen jeweils eine Umsteueröffnung 96 zugeordnet ist, die durch Strichlinien verdeutlicht sind.

Figur 6 zeigt die Kolbenmaschine, bei der der untere Kolben 68 etwa im Bereich seines oberen Totpunkts (Top Dead Center) und der obere Kolben 66 im Bereich seines unteren Totpunkts (Bottom Dead Center) angeordnet ist.

Zum Verbinden der Kolbenräume mit dem PRV 82 überschneiden die

Umsteueröffnungen 96 die Ausmündung 46 oder 48. Hierzu sind die

Umsteueröffnungen 96 und die Ausmündungen 46 und 48 in Richtung der Drehachse 60 gesehen etwa auf gleicher Höhe angeordnet. Die Ausmündungen 46 und 48 sind dabei als Bohrungen oder als Schlitze ausgebildet, die sich abschnittsweise entlang eines Kreises in Umfangsrichtung der Lagerbuchse 50 erstrecken. Zum Verbinden der Kolbenräume 94 mit der Niederdruck- und Hochdrucköffnung der Kolbenmaschine ist jedem Kolbenraum 94 eine Steueröffnung zugeordnet, wobei in der Figur 6 eine Steueröffnung 98 des Kolbenraums 62 und eine Steueröffnung 100 des Kolbenraums 64 dargestellt sind. Diese erstrecken sich jeweils etwa koaxial zum Kolbenraum 62 bzw. 64 und münden an einer an der Schrägscheibe 74 abweisenden Stirnseite 102 der Zylindertrommel 52.

Die Geometrien der Ausmündungen 46, 48 und der Umsteueröffnungen 96 sind dabei vorzugsweise derart ausgelegt, dass das PRV 82 entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel be- und entladen wird.

Offenbart ist eine hydrostatische Kolbenmaschine, insbesondere eine Axialkolbenmaschine, die eine Mehrzahl von Kolbenräumen aufweist, in denen Kolben eine Hubbewegung ausführen. Ein jeweiliger Kolbenraum ist hierbei über eine Steueröffnung jeweils mit einer Niederdruck- und Hochdrucköffnung wechselweise verbindbar. Zwischen der Niederdruck- und der Hochdrucköffnung sind Umsteuerbereiche vorgesehen, über die ein jeweiliger Kolbenraum im Übergang zwischen der Niederdruck- und der Hochdrucköffnung bewegt wird. In einem jeweiligen Umsteuerbereich ist eine Ausmündung vorgesehen, über die ein jeweiliger Kolbenraum mit einem Speicherelement (PRV), wenn seine Steueröffnung sich mit einer der Ausmündungen im Betrieb der Kolbenmaschine überschneidet.

Claims

Patentansprüche

1 . Hydrostatische Kolbenmaschine, insbesondere Axialkolbenmaschine, mit zumindest einem Kolbenraum (94), in dem ein bewegbarer Kolben (66, 68) angeordnet ist, wobei der Kolbenraum (94) über eine Steueröffnung (16; 98, 100) wechselweise mit einer Niederdruck- und einer Hochdrucköffnung (2, 4) eines Steuerteils (1 ) verbindbar ist, wobei zwischen der Niederdruck- und der Hochdrucköffnung (2, 4) zwei

Umsteuerbereiche (18, 20) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass in einem jeweiligen Umsteuerbereich (18, 20) eine Ausmündung (22, 24; 46, 48) zum Verbinden mit dem Kolbenraum vorgesehen ist, die jeweils über eine Druckleitung (26, 28; 80, 84) mit einem Speicherelement (30; 82) verbunden ist.

2. Kolbenmaschine nach Anspruch 1 , wobei im Kolbenraum (94) ein Totvolumen ausgebildet ist, und wobei ein Speichervolumen des Speicherelements (30; 82) wesentlich größer als das Totvolumen ist.

3. Kolbenmaschine nach Anspruch 2, wobei das Speichervolumen zumindest etwa 7,5-mal so groß wie das Totvolumen ist.

4. Kolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steueröffnung (16; 98, 100), die Niederdruck- und Hochdrucköffnung (2, 4) und die Ausmündungen (22, 24; 46, 48) derart ausgestaltet sind, dass eine jeweilige Steueröffnung (16; 98, 100) bei einer Verbindung des Kolbenraums (94) mit einer jeweiligen Ausmündung (22, 24; 46, 48) nicht mit der Niederdruck- und Hochdrucköffnung (2, 4) verbunden ist.

5. Kolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausmündungen unterschiedliche Öffnungsquerschnitte aufweisen.

6. Kolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausmündungen (22, 24; 46, 48) derart ausgestaltet sind, dass bei einer Überschneidung ein maximal möglicher Druckmittelvolumenstrom zwischen dem Speicherelement (30; 82) und dem Kolbenraum ausgetauscht wird.

7. Kolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausmündungen (22, 24; 46, 48) und/oder die Steueröffnungen (16; 98, 100; 90, 92) derart ausgelegt sind, dass eine jeweilige Ausmündung (22, 24; 46, 48) frühest möglich mit dem Kolbenraum (94) verbunden ist, nachdem die Steueröffnung (16; 98, 100) nicht mehr in Verbindung mit der Niederdruck- oder Hochdrucköffnung (2, 4) ist.

8. Hydromaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausmündungen und/oder die Steueröffnung (16; 98, 100) derart ausgelegt sind, dass die Verbindung zwischen einer Ausmündung (22, 24; 46, 48) und dem Kolbenraum (94) getrennt ist, wenn die Drücke im Speicherelement und im mit der Ausmündung (22, 24; 46, 48) verbundenen Kolbenraum (94) in etwa ausgeglichen sind.

9. Kolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eine Ausmündung (22, 24) in radialer Richtung von einer Drehachse der Kolbenmaschine aus gesehen außerhalb eines maximalen Außendurchmessers der Niederdruck- und/oder Hochdrucköffnung (2, 4) in dem Steuerteil (1 ) ausgebildet ist, und wobei die Steueröffnung (16) des Kolbenraums einen außerhalb des Außendurchmessers liegenden Öffnungsabschnitt (32) hat.

10. Kolbenmaschine nach Anspruch 9, wobei der Öffnungsabschnitt (32) in Um- fangsrichtung der Steueröffnung (16) etwa mittig von dieser, insbesondere u-förmig ausgebildet ist und in Umfangsrichtung der Steueröffnung wesentlich kürzer als die Steueröffnung ist.

1 1 . Kolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausmündungen schlitz- oder langlochförmig ausgebildet sind und sich in einer Umfangsrichtung bezüglich der Drehachse der Kolbenmaschine erstrecken.

12. Kolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausmündungen (22, 24; 46, 48) jeweils unterschiedliche Öffnungsquerschnitte aufweisen.

13. Kolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausmündungen (46, 48) in einer Lagerhülse (50) einer den Kolbenraum (94) aufweisenden Zylindertrommel (52) ausgebildet sind und wobei der Kolbenraum (94) zusätzlich zur Steueröffnung (98, 100) eine wechselweise mit den Ausmündungen (46, 48) verbindbare Steueröffnung (90, 92) aufweist.

14. Kolbenmaschine nach Anspruch 13, wobei die zusätzliche Steueröffnung (96) in Radialrichtung in die Zylindertrommel (52) eingebracht ist.