EP4172491B1 - Axial piston machine having a seal ring which is spherical in sections - Google Patents
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- F04B53/14—Pistons, piston-rods or piston-rod connections
- F04B53/143—Sealing provided on the piston
Definitions
- the invention relates to an axial piston machine in which pistons in cylinders perform a reciprocating movement and in which the pistons have a sealing ring receptacle for a sealing ring.
- cylinders are arranged in a circle around the cylinder drum axis in a cylinder drum parallel to the cylinder drum axis.
- Each cylinder accommodates a piston with a piston head, with the pistons being attached to a plate with an end opposite the piston head around a plate axis or being supported on this. If the cylinder drum axis and the plate axis intersect at an angle, the pistons are forced to perform a stroke movement when the cylinder drum and/or the plate rotate.
- Hydraulic displacement machines which include axial piston machines, work according to the displacement principle. They can therefore be operated both as pumps and as motors if the pressure medium flow is controlled accordingly. Pumps and motors usually have the same structural design. In the case of a motor, a pressure medium is supplied under pressure in approximately the first half of the cylinder and the pistons in question are pressed towards the plate by the pressure in the cylinders and/or a mechanical connection to the plate. If the angle of the cylinder drum axis to the plate axis is not zero, this creates a tangential force component which, depending on the design, causes either the cylinder drum or the plate to rotate and thus generates a downforce.
- the cylinder drum axis or the plate is set in rotation, depending on the pump design. If the angle of the cylinder drum axis to the swash plate axis is not zero, the continuous change in distance between the piston and the swash plate forces the piston to perform an oscillating stroke movement in which expansion phases alternate with compression phases. During a downward movement, the expansion phase, the piston allows the respective cylinder to fill with pressure medium, which is pushed out from the piston bottom in a subsequent upward movement of the piston, the compression phase, thus generating a volume flow of the pressure medium.
- This sealing ring has a spherical sealing surface and its outer diameter is slightly larger than the inner diameter of the cylinder in order to achieve a sealing effect even under deformation.
- the curvature diameter of the spherical sealing surface is significantly smaller than the piston diameter. Due to the inclined piston plate, the sealing ring is moved along the inner wall of the cylinder at the speed of the piston and also in a circular path relative to the piston bore axis. The inclined position of the sealing ring in the cylindrical piston bore would create a gap. To counteract this gap, the diameter of the sealing ring is chosen to be approximately 1% larger than the diameter of the cylinder.
- the sealing ring is supported on the side facing away from the cylinder drum by a support ring, whereby the support ring has a smaller outer diameter than the sealing ring and is made of polyetheretherketone, PEEK, a harder material than the sealing ring.
- the sealing ring is stretched and compressed twice by approximately 1% of its diameter during a complete rotation, which leads to material fatigue in the long term. This can lead to seal failure in the long term.
- the preload of the sealing ring causes an increased breakaway torque and stick-slip effects, which lead to uneven running of the machine. These effects are particularly negative in speed-controlled applications, where a stable system pressure cannot be achieved by imposing a certain speed (even very low speeds). These effects therefore make controllability considerably more difficult.
- the object of the invention is therefore to design an axial piston machine of the type mentioned at the outset in such a way that low-friction, low-pulsation, reliable operation at the sealing point to the piston bore is ensured in the entire operating range of the machine.
- the sealing ring is spherical at least in an area which seals the inner walls of the cylinder during the stroke movements, i.e. it is designed with a constant radius of curvature at least in this area, the radius of curvature of the sealing ring, which is spherical in some areas, essentially corresponding to half the diameter of the cylinder.
- the diameter of the sealing ring is chosen to be slightly smaller than the diameter of the cylinder in order to allow sufficient play between the inner wall of the cylinder and the sealing ring. This play is, for example, around 10 ⁇ m.
- the partially spherical design of the sealing ring in which the radius of curvature of the partially spherical sealing ring essentially corresponds to half the diameter of the cylinder, results in a sealing area that is ring-shaped, i.e. forms a closed circular line.
- a closed circular line causes far lower friction forces than a seal that corresponds to a surface-like seal due to unfavorable dimensions and / or geometry.
- the sealing ring By mounting the sealing ring in a way that allows lateral movement of the sealing ring across the longitudinal axis of the piston, the sealing ring can avoid radial and tangential forces that arise from the relative movement between the inner cylinder wall and the sealing ring, across the piston axis.
- the diameter of the sealing ring was chosen to be slightly larger than the inner cylinder diameter.
- the oversized elastic sealing ring partially absorbs these force differences through reversible deformation of the elastic sealing ring, which leads to flat sealing surfaces in some places in the cylinder and at the same time to a gap between the sealing ring and the cylinder inner wall in other places.
- a sealing ring diameter that is larger than the cylinder inner diameter however, jamming of the sealing ring is unavoidable if a sealing ring made of a rigid material is selected.
- a sealing surface approximating a circular line is now created between the cylinder inner wall and the sealing ring in every position during rotation of the cylinder drum, with the clearance between the sealing ring and the cylinder wall being kept constant during the stroke movement.
- This makes it possible to select a non-deformable material for the sealing ring, so that extrusion of the sealing ring is avoided even under high pressures and/or high rotation speeds of the cylinder drum.
- the material of the The sealing ring should be made of a material that is particularly resistant to wear. This results in a longer service life for the sealing ring, meaning that the sealing ring needs to be replaced less often or not at all during the service life of the piston machine.
- the sealing ring is made of ceramic.
- Oxide ceramics such as aluminum oxide Al2O3 or zirconium dioxide ZrO2, or alternatively non-oxide ceramics, such as silicon carbide SiC or silicon nitride Si3N4, are suitable for this purpose.
- the sealing ring holder comprises a pin and the sealing ring has a central inner opening corresponding to the pin, wherein the inner opening diameter of the sealing ring is selected to be larger than the pin diameter.
- the difference between the pin diameter and the inner diameter of the sealing ring can thus be selected according to the required horizontal play, i.e. the play transverse to the piston's longitudinal axis.
- the piston is designed in such a way that pressure equalization is possible between the piston interior and the interior of the sealing ring.
- pressure equalization can be achieved, for example, by fastening the sealing ring in the seal holder with vertical play, i.e. play in the direction of the piston's longitudinal axis, so that the pressure within the sealing ring holder can dynamically adapt to the pressure in the piston chamber via the gap of the play.
- pressure equalization between the piston interior and the interior of the sealing ring is optionally achieved by one or more openings in the cover.
- pressure equalization bores are provided that extend from the top of the pin into the interior of the sealing ring. This makes it possible to use unequal geometries of the outer surface of the sealing ring and the inner surface of the sealing ring for targeted deformation of the sealing ring in order to increase the sealing effect of the sealing ring.
- the normal forces that act on the sealing ring from the pressure medium in the piston chamber are different from the normal forces in the sealing ring holder that act on the inside of the sealing ring. This can lead to deformation of the sealing ring, particularly at very high pressures of the pressure medium. This deformation, which is initially perceived as undesirable, is even increased in an embodiment according to the invention in which the central inner opening of the sealing ring has a circumferential bead-like recess.
- This bead-like recess allows the sealing ring to expand further when the internal pressure in the piston chamber is high. It has been shown that even with solid cylinder drums, if a piston chamber of the cylinder drum is connected to the high-pressure side, this internal pressure force can lead to an expansion or deformation of the corresponding cylinder. Such one-sided expansion would lead to an increase in the gap between the inner cylinder wall and the sealing ring. It is therefore sensible to design the geometry of the sealing ring in such a way that it can also expand and thus the gap between the piston bore and the sealing ring remains almost constant. Since the working pressure in the piston chamber acts at the same level on the internal geometry of the sealing ring, the sealing ring will expand accordingly.
- the shape or wall thickness of the inner contour of the sealing ring can now be designed in such a way that the sealing ring expands exactly as much as the inner diameter of the piston bore of the cylinder drum. This keeps the gap constant. To a first approximation, this can be achieved by the bead-like recess in the sealing ring.
- the cross-sectional shape of the sealing ring can be precisely determined by a geometry-optimized design of the ring geometry using appropriate deformation analyses with the finite element method.
- the central inner opening of the sealing ring has a stepped profile.
- a first step has a first inner diameter and a second step has a second inner diameter, with the second inner diameter being selected to be larger than the first inner diameter.
- the first inner diameter corresponds to the inner diameter of a non-stepped sealing ring.
- the first inner diameter can therefore be adapted to the pin diameter of the sealing ring holder, so that the first inner diameter is adapted to the transmission of torque between the cylinder drum and the piston/piston plate. can be optimized via the contact surface of the sealing ring and the journal.
- the second inner diameter since it is not involved in the torque transmission, can then be optimized for optimal expansion in order to adapt to the expanding piston bore at increasing, high operating pressures.
- the sealing ring is made of metal, for example iron, a steel alloy, or another metal alloy.
- Hardened steel with a surface hardness greater than 48 Rockwell hardness test, HRC is particularly suitable for this, in particular tempering steel, for example 100Cr6 with a surface hardness of approx. 62 HRC, in particular case-hardened steel, for example 16MnCr5 with a surface hardness of approx. 60 HRC.
- sealing rings made of metal have the advantage that, if the wall is thin enough, they expand due to the internal piston pressure and thus contribute to a better seal between the sealing ring and the inner wall of the piston chamber.
- this effect can also be achieved with ceramics that have a similar modulus of elasticity to steel.
- ceramics made of zirconium oxide ZrO 2 rings made of zirconium oxide ZrO 2 and steel expand largely in the same way.
- the surface properties of a sealing ring made of metals in terms of surface hardness, friction coefficients and wear resistance are improved by downstream processes such as nitriding, nitrocarburizing or hard material coating.
- a sealing ring made from a spherical disk does not necessarily have to be symmetrical in the axial direction.
- a geometry with an asymmetrical spherical disk can keep the pressure-dependent play between the ball ring and the cylinder wall small in order to achieve the lowest possible leakage.
- the ball ring is expanded in a targeted manner by this design and the applied pump pressure.
- the sealing ring in the sealing ring holder is secured with a cover against movement along the longitudinal axis of the piston.
- the cover forms the piston bottom and at the same time limits the migration of the sealing ring in the direction of the cover during a downward movement of the piston, i.e. in the expansion phase, apart from a planned vertical play.
- the cover is attached to the piston with a screw, or by clamping or pressing.
- the surface of the sectioned spherical sealing ring that comes into contact with the inner walls of the cylinder is a symmetrical spherical zone.
- a spherical zone is the curved outside of, for example, a spherical disk or a spherical ring.
- a spherical disk, or also called a spherical layer is obtained as the middle part of a solid sphere when the solid sphere is cut into three parts by two parallel planes. If the parallel planes lie on different sides of the center of the sphere and are at the same distance from the center of the sphere, then it is a symmetrical spherical disk whose outer surface results in a symmetrical spherical zone.
- an asymmetrical spherical disk can also be manufactured very easily in this way. Since the technical effort required to produce a sufficiently perfect spherical shape is relatively low, such a sealing ring can be manufactured with relatively little effort from solid balls with the appropriate diameter by removing ball segments on both sides of a selected great circle of the ball, for example by milling, which creates the desired symmetrical or asymmetrical spherical disk.
- solid balls are offered as standard components with the appropriate manufacturing precision for ball joints and swivel bearings, for example, and are therefore generally available and inexpensive.
- a central opening with the desired diameter can then be created in a spherical disk obtained in this way, which allows the sealing ring to be accommodated in a pin.
- the inside of the sealing disk can be milled out in order, for example, to adapt the wall thickness of the sealing ring to a desired shape.
- the pistons are attached to the piston plate at one end. Because changes in the position of the piston in the cylinder are completely compensated by the play of the sealing ring and the partially spherical shape of the sealing ring, the piston does not require any joints or sliding shoes at the end of the piston facing away from the piston crown. Instead, it can be firmly connected to the piston plate.
- the piston diameter tapers increasingly in the area between the sealing ring holder and one end. This enables a Tilting movement of the piston within the cylinder enables this to prevent contact between the piston and the inner cylinder walls during operation.
- the piston has the shape of a truncated cone in the area between the sealing ring holder and one end.
- the piston bore axes of the cylinders are distributed on a first circular line, piston bore pitch circle, around a cylinder drum axis, and the piston longitudinal axes are distributed on a second circular line, piston pitch circle, around a piston plate axis, wherein the diameter (D K ) of the second circular line is selected to be larger than the diameter (D z ) of the first circular line.
- the size differences between the first circular line and the second circular line can be compensated for by the inventive design of the sealing ring and pin, thus achieving a more compact design of the axial piston machine.
- this design of the piston is used in a so-called floating piston machine.
- the axial piston machine is designed as a swash plate machine.
- Figure 1 and Figure 2 show the schematic structure of a so-called floating piston machine, representative of the structure and function of axial piston machines.
- Figure 1 and Figure 2 show the same floating piston machine in different working conditions.
- the structure and function of a floating piston machine are well known to the expert, so that in Figure 1 and Figure 2 only the interaction of a piston 2 with a cylinder drum 7, a piston plate 8 and a swash plate 9 is described.
- the piston plate 8 is supported on the swash plate 9 and is rotatably mounted on it.
- Figure 1 shows the floating piston machine 1 in a neutral state, in which the swivel plate 9 and cylinder drum 7 are aligned parallel to each other, while Figure 2 the floating piston machine 1 in a state in which the swash plate 9 and the cylinder drum are not aligned parallel to each other.
- a plurality of cylinders 3 are circular and evenly distributed around a cylinder drum axis 70 of a cylinder drum 7.
- the cylinders 3 are designed as piston bores 3 and will be referred to as such from now on.
- a cylinder 3 can also be manufactured in a manner other than through a piston bore. In order to avoid harmonic vibrations, an odd number of piston bores 3 is usually selected.
- the cylinder drum 7 is mounted in such a way that rotation around the cylinder drum axis 70 is permitted.
- a shaft 72 is arranged on the cylinder drum 7, which in the case of the floating piston machine operating mode acts as a pump drive shaft and in the case of the floating piston machine operating mode acts as a
- the engine provides an output shaft.
- the distance R from a piston bore axis 30 to the cylinder drum axis 70 is 45 mm in the described embodiment, while the piston bores 3 each have an inner diameter D of 15 mm.
- the figures are not true to scale and show details in some cases greatly enlarged.
- the pistons 2 are rotationally symmetrical.
- the axis of symmetry of the pistons 2 is also referred to below as the longitudinal axis 20 of the piston 2.
- Figure 3 shows the basic structure of a piston 2 with a piston head 21 at its upper end and a piston foot 22 at its lower end.
- the direction indication "upwards” in connection with a piston 2 refers to a movement of the piston 2 within the piston chamber 31 in the direction of the piston head 21, while the direction indication “downwards” refers to a movement of the piston 2 within the piston chamber 31 in the direction of the piston foot 22.
- the piston head 21 typically has a larger diameter than the piston foot 22.
- the piston 2 can therefore be designed according to the Figure 2 in its central region 24 have the shape of a truncated cone.
- the diameter of the piston head 21 is selected such that the piston head 21 does not come into contact with an inner wall 32 of the piston bore 3 at any time during operation of the piston machine.
- the piston 2 can also be designed in the shape of a cylinder in its central region 24, as is the case in Fig.4 is shown.
- the piston plate 8 is designed as a circular disk through whose circular disk center a piston plate axis 80 extends perpendicular to the piston plate 8.
- the piston plate 8 is rotatably mounted so that the piston plate 8 can rotate about the piston plate axis 80.
- the swash plate 9 is also designed as a circular disk and through whose circular disk center a swash plate axis 90 extends perpendicular to the swash plate 9. In the neutral state of the floating piston machine 1, the piston plate axis 80 and the swash plate axis 90 are in line with the cylinder drum axis 70.
- a plane that extends perpendicularly around the cylinder drum axis 70 is referred to as the cylinder drum plane 75 and a plane that extends perpendicularly to the piston plate axis is referred to as the piston plate plane 85.
- the cylinder drum plane 75 and the piston plate plane 85 are aligned parallel to each other.
- the neutral distance S0 This distance between the bottom 72 of the cylinder drum and the top 81 of the piston plate 8 is therefore referred to below as the neutral distance S0.
- the piston plate 8 is designed to be pivotable relative to the cylinder drum plane 85.
- care must be taken to ensure that the cylinder drum axis 70 and the swash plate axis 90 intersect at a pivot point X at an angle ⁇ . Since the piston plate 8 slides on the swash plate 9 and thus the piston plate 8 and swash plate 9 always remain parallel to one another, a geometric law dictates that the angle ⁇ at which the cylinder drum plane 75 and the piston plate plane 85 intersect corresponds to the pivot angle ⁇ .
- one half of the piston plate 8 is tilted away from the cylinder drum 7 and the other half of the piston plate is inclined towards the cylinder drum 7, so that during rotation the distance between the cylinder drum underside 72 and the piston plate top side 81 changes continuously.
- the piston plate 8 passes through a maximum distance S max starting from the middle distance after a quarter full circle rotation; after another quarter full circle rotation, the top side 81 of the piston plate 8 returns to the middle distance; after another quarter full circle rotation, the top side 81 of the piston plate 8 passes through a minimum distance S min to the underside of the cylinder drum 7 and after another quarter full circle rotation, the piston plate 8 returns to its starting point.
- the pistons 2 are firmly connected to the piston plate 8 with their piston base 22, the pistons 2 are forced to perform these up and down movements when the cylinder drum 7 and piston plate 8 rotate.
- the piston chamber 31, which is sealed to the inside of the housing by the sealing ring 5 shrinks until the piston 2 reaches a top dead center TDC, where it changes its direction of stroke.
- the top dead center TDC of the piston 2 is identical to the position at which the Piston plate 8 has reached the minimum distance S min .
- the piston chamber enlarges until the piston 2 reaches a bottom dead center UT, where the downward stroke movement changes back into an upward stroke movement.
- the bottom dead center UT is identical to the position at which the top 81 of the piston plate 8 has reached a maximum distance S max from the bottom 72 of the cylinder drum 7.
- the piston base 22 is advantageously shaped as a cylinder because this allows the piston base 22 to be received in a through hole in the piston plate 8. Since the piston either widens out to form a truncated cone after the piston base 22 or forms a step to the larger cylindrical middle part 24, the piston 2 is supported on the piston plate top 81 in order to divert the forces acting on the piston head 21 in the piston chamber 31 into the piston plate 8.
- this support can alternatively be achieved by the receptacles for the piston foot 22 being designed as blind holes and the respective piston foot 22 being supported in the respective blind hole.
- the piston feet 22 are fixed against any kind of movement, for example by pressing them into the through hole or the blind hole.
- a connection can also be made in another form-fitting or force-fitting manner, for example by pressing in, shrinking, threading or welding.
- Fig.5 shows a piston 4 with a sealing ring 5 mounted in a sealing ring holder 4.
- the sealing ring holder 4 in this case has a pin 23 centered on the piston head 21, which receives a central opening 51 of the sealing ring 5.
- the inner diameter d i of the central opening 51 is selected to be significantly larger than the diameter dz of the pin 23.
- a movement of the sealing ring 5 in the direction of the longitudinal axis 20 of the piston 2 is limited by a cover 6, which is mounted on the pin 23.
- Fig.6 shows a sealing ring 5 in its simplest manufacturing embodiment.
- the sealing ring 5 of the Figure 6 is a spherical disk in which the spherical disk has the same height h/2 upwards and downwards from an equatorial plane 58 of the sealing ring.
- the equatorial plane 58 contains the great circle on the outer surface 52 of the sealing ring, which is perpendicular to the sealing ring axis 50.
- this is a symmetrically designed sealing ring 5. From the radius of curvature r This results in the diameter d a of the sealing ring, which is ideally slightly smaller than the piston diameter d.
- the inner diameter d i of the sealing ring 5 and the diameter dz of the pin are ideally coordinated so that the resulting clearance ⁇ Q is large enough that the sealing ring 5 can follow the elliptical path in conjunction with the displacement of the piston plate 8 on the swash plate 9 without jamming. If this clearance is set correctly, a torque can be transmitted from the cylinder drum 7 via the sealing rings 5 to the piston plate 8, so that the piston plate is carried along by the cylinder drum 7.
- the piston plate 8 can be synchronized with the cylinder drum 7, for example via a gear, which opens up greater freedom with regard to the inner sealing ring geometry and the pin 23.
- the sealing circle 59 Due to the partially spherical outer surface 52 of the sealing ring 5 with a radius of curvature r that essentially corresponds to half the piston bore diameter D/2, the piston bore inner wall 32 and the sealing ring 5 touch in a circular line, the sealing circle 59, regardless of how much the piston longitudinal axis 20 is tilted relative to the piston bore axis 30 and thus how deeply the piston 2 penetrates into the piston bore 3 during its stroke movement. As a result, the plane in which the sealing circle 59 lies is always perpendicular to the piston bore axis 30. This reduces wear in the contact between the sealing ring and the piston bore and in turn makes the axial piston machine more efficient and robust. The service life of the metal sealing ring 5 is therefore significantly longer than an elastic sealing ring according to the state of the art.
- the circular line on which the piston bore axes 30 are distributed around the cylinder drum axis is referred to as the piston bore pitch circle and the diameter of the piston bore pitch circle is referred to as the piston bore pitch circle diameter D z .
- the piston feet 22 and in particular the piston longitudinal axes 20 of the individual pistons 2 intersect the piston plate 8 perpendicularly and are evenly distributed on a circular line, which is referred to below as the piston pitch circle, around the piston plate axis 80.
- the diameter of the piston pitch circle is referred to below as the piston pitch circle diameter D K.
- the pistons 2 are arranged on the piston plate 8 such that in the neutral position the longitudinal axes 20 of the pistons 2 and the longitudinal axes 30 of a respective piston bore 3 coincide.
- the piston pitch circle diameter D K can also be chosen to be larger than the piston bore pitch circle diameter D z .
- the piston pitch circle diameter D K is chosen to be 90.4 mm.
- a piston pitch circle diameter D K which is larger than the piston bore pitch circle diameter D z has the advantage that the floating piston machine can be built more compactly because a larger swivel angle ⁇ can be achieved with the same clearance ⁇ Q.
- a piston pitch circle diameter D K which is larger than the piston bore pitch circle diameter D z is made possible by the sealing rings 5 which are mounted so as to be displaceable transversely to the piston axis 20 and which compensate for the larger piston axis distance D K by moving the sealing rings 5 in the sealing ring holder 4.
- the inner wall of the sealing ring 5 is provided with an inner bead 54, so that the sealing ring 5 has, for example, a constant material thickness over its height h in the vertical direction.
- the background to a geometry of the sealing ring that deviates from the pure ring shape is as follows: If a piston chamber 31 of the cylinder drum 7 is connected to the high-pressure side via the connecting bores 33, this high pressure (up to 350 bar or more) acts on the inner wall 32 of the bore of the cylinder drum 7, which forms the piston chamber 31. It has been shown that this internal pressure force, despite the solid design of the cylinder drum 7, can lead to an expansion or deformation of the corresponding piston bore 3.
- the invention proposes that the geometry of the sealing ring 5 be designed in such a way that when the inside of the sealing ring 5 is subjected to radial pressure forces, the sealing ring can expand accordingly and thus the gap 34 between the piston bore 3 and the sealing ring 5 ideally remains constant over the entire range of the operating pressure.
- the pressure finds its way into the area behind the sealing ring or into the space between the pin 23 and the inner diameter of the sealing ring 5. Since the working pressure in the piston chamber 31 acts at the same level on the inner geometry of the sealing ring 5, the sealing ring 5 will expand accordingly if the wall thickness or cross-sectional profile is adjusted accordingly.
- this can be achieved by providing the sealing ring 5 with a bead-like recess 54 on its inner side 53.
- This bead-like Recess 54 can, for example, be designed such that the sealing ring 5 has an approximately uniform horizontal thickness z over its vertical course h. Due to this uniform horizontal thickness z, the sealing ring can be deliberately weakened in order to give way to a pressure acting on the inside of the sealing ring by widening, i.e. increasing its outer diameter d a .
- a reduction in the sealing ring wall thickness is achieved by designing the sealing ring 5 asymmetrically. This means that the height h 2 of the sealing ring measured upwards from its equatorial plane 58 is greater than the height h 1 of the sealing ring measured downwards from its equatorial surface 58. In this way, the smaller wall thickness z 2 of the sealing ring 5 at its upper end compared to the wall thickness z 1 of the sealing ring at its lower end is deliberately accepted in order to accommodate the high pressure of the pressure medium in the piston interior. In this way, the desired expansion of the sealing ring can be set via the upper height h 2 .
- the inner diameter of the sealing ring is stepped.
- the inner diameter d 2 is chosen to be larger than the inner diameter d i in its lower part.
- This provides an alternative to an approximately constant sealing ring cross-sectional thickness z according to the Figure 6
- the embodiment shown achieves that the sealing ring 5 yields to a higher operating pressure in its upper region due to the lower material thickness z 2 , while the sealing ring 5 largely retains its shape in its lower region due to the higher material thickness z 1 and thus the adjustment between the sealing ring inner diameter d i and the pin diameter d z is not changed.
- the desired widening of the sealing ring in its upper region can be adjusted in particular by the upper diameter d 2 and the height at which the gradation between the upper and lower regions is arranged.
- the inner diameter of the sealing ring expands continuously over its height upwards, whereby the wall thickness of the sealing ring 5 decreases even more with the height and can thus more easily yield to the pressure of the sealing ring in the interior 57.
- the sealing ring 5 extends over a first height h 1 from the equatorial plane downwards, and in its upper area over a second height h 2 upwards.
- the expansion of the interior 57 of the sealing ring 5 can begin at the equatorial plane 58 as shown, but can also begin above or alternatively below the equatorial plane 58.
- an asymmetrically designed sealing ring 5 can be used, in which the first height h 1 is selected to be different from the second height h 2.
- a geometry-optimized design of the ring geometry as a function z(h) over the height of the sealing ring 5 can also be determined with sufficient accuracy, for example, via corresponding deformation analyses using the finite element method.
- the expansion of the piston inner wall 32 depends on many factors, such as the material used for the cylinder drum 7, the piston bore diameter d, the wall thicknesses between two adjacent piston bores 3, to name the most important, no general formula can be given here.
- laboratory tests have shown that at operating pressures of 350 bar, the expansion of the piston bore 3 with the dimensions selected in the exemplary embodiment can be between 10 ⁇ m and 30 ⁇ m, and in special individual cases even more or less.
- One method of determining the cross-sectional thickness z of the sealing ring therefore consists in first determining the deformation of the piston bore 3 at the highest intended operating pressure in a first step.
- sealing rings 5 with different cross-sectional thicknesses z are exposed to the highest intended operating pressure and the resulting increase in diameter ⁇ d of the sealing ring 5 is determined.
- the sealing ring geometry is then selected, that is, in this case the sealing ring 5 with the cross-sectional thickness z in which the difference ⁇ d between the measured piston inner wall diameter d + ⁇ d under load with the highest operating pressure and the sealing ring diameter d i + ⁇ d i under load with the highest operating pressure corresponds to the selected clearance between the piston inner wall 32 and the sealing ring 5.
- a pressure equalization between the piston interior 31 and the interior 57 of the sealing ring 5 can also be achieved by one or more openings in the cover 6.
- Figure 11 shows an embodiment of a piston 2 with a sealing ring 5 with a bead-like recess on the inner wall 54 of the sealing ring 5.
- a pressure equalization between the piston interior 31 and the interior 57 of the sealing ring 5 is provided by one or more pressure equalization bores 9, which extend from the top of the cover 6 through the pin 23 downwards and then in the radial direction of the pin 23.
- pressure equalization is suitable both for sealing rings 5 with a continuous course of the sealing ring thickness z, and, as in Figure 12 shown for Sealing rings with a stepped inner profile.
- pressure equalization between the piston interior 31 and the interior 57 of the sealing ring 5 is also provided by one or more pressure equalization bores 9, which extend from the top of the cover 6 through the pin 23 downwards and then in the radial direction of the pin 23.
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Description
Die Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine, bei der Kolben in Zylindern eine Hubbewegung ausführen und bei der die Kolben eine Dichtringaufnahme für einen Dichtring aufweisen.The invention relates to an axial piston machine in which pistons in cylinders perform a reciprocating movement and in which the pistons have a sealing ring receptacle for a sealing ring.
Gemeinsam ist allen Axialkolbenmaschinen, dass in einer Zylindertrommel achsparallel zu einer Zylindertrommelachse Zylinder in einem Kreis um die Zylindertrommelachse angeordnet sind. Jeder Zylinder nimmt einen Kolben mit einem Kolbenkopf auf, wobei die Kolben mit einem dem Kolbenkopf entgegengesetzten Ende um eine Plattenachse auf einer Platte befestigt sind, beziehungsweise sich auf dieser abstützen. Wenn Zylindertrommelachse und Plattenachse sich unter einem Winkel schneiden, wird bei einer Rotation von der Zylindertrommel oder/und der Platte den Kolben eine Hubbewegung aufgezwungen.What all axial piston machines have in common is that cylinders are arranged in a circle around the cylinder drum axis in a cylinder drum parallel to the cylinder drum axis. Each cylinder accommodates a piston with a piston head, with the pistons being attached to a plate with an end opposite the piston head around a plate axis or being supported on this. If the cylinder drum axis and the plate axis intersect at an angle, the pistons are forced to perform a stroke movement when the cylinder drum and/or the plate rotate.
Hydraulische Verdrängermaschinen, zu denen die Axialkolbenmaschinen zählen, arbeiten nach dem Verdrängerprinzip. Sie können daher sowohl als Pumpen als auch als Motoren betrieben werden, wenn der Druckmittelstrom entsprechend gesteuert wird. Pumpen und Motoren haben in der Regel den gleichen konstruktiven Aufbau. Im Falle eines Motors wird ein Druckmittel unter Druck in etwa einer ersten Hälfte des Zylinders zugeführt und die betreffenden Kolben werden durch den Druck in den Zylindern und/oder eine mechanische Verbindung zur Platte in Richtung der Platte gedrückt. Wenn der Winkel der Zylindertrommelachse zu der Plattenachse ungleich null ist, entsteht hierdurch eine tangentiale Kraftkomponente, die je nach Bauart entweder die Zylindertrommel oder die Platte in Rotation versetzt und somit einen Abtrieb erzeugt.Hydraulic displacement machines, which include axial piston machines, work according to the displacement principle. They can therefore be operated both as pumps and as motors if the pressure medium flow is controlled accordingly. Pumps and motors usually have the same structural design. In the case of a motor, a pressure medium is supplied under pressure in approximately the first half of the cylinder and the pistons in question are pressed towards the plate by the pressure in the cylinders and/or a mechanical connection to the plate. If the angle of the cylinder drum axis to the plate axis is not zero, this creates a tangential force component which, depending on the design, causes either the cylinder drum or the plate to rotate and thus generates a downforce.
Im Falle einer Pumpe wird je nach Bauart der Pumpe die Zylindertrommelachse oder die Platte in Rotation versetzt. Wenn der Winkel der Zylindertrommelachse zu der Schrägscheibenachse ungleich null ist, zwingt die fortlaufende Abstandsänderung zwischen dem Kolben und der Schrägscheibe den Kolben eine oszillierende Hubbewegung auf, in der sich Expansionsphasen mit Kompressionsphasen abwechseln. Während einer Abwärtsbewegung, der Expansionsphase, erlaubt der Kolben den jeweiligen Zylinder sich mit Druckmittel zu füllen, welches in einer darauffolgenden Aufwärtsbewegung des Kolbens, der Kompressionsphase, vom Kolbenboden ausgeschoben wird und so einen Volumenstrom des Druckmittels erzeugt.In the case of a pump, the cylinder drum axis or the plate is set in rotation, depending on the pump design. If the angle of the cylinder drum axis to the swash plate axis is not zero, the continuous change in distance between the piston and the swash plate forces the piston to perform an oscillating stroke movement in which expansion phases alternate with compression phases. During a downward movement, the expansion phase, the piston allows the respective cylinder to fill with pressure medium, which is pushed out from the piston bottom in a subsequent upward movement of the piston, the compression phase, thus generating a volume flow of the pressure medium.
Aus dem Tagungsbeitrag "
In Versuchen hat sich jedoch gezeigt, dass im Betrieb, insbesondere bei hohen Drücken, bei einem großen Winkel zwischen Zylindertrommelachse und Kolbenplattenachse, sowie bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten der Dichtring dazu neigt, in Richtung des druckfreien Gehäuseinnenraumes, das heißt in den Spalt zwischen Kolben und Kolbenbohrung zu extrudieren. Durch die Schrägstellung der Kolbenachse gegenüber der Kolbenbohrungsachse ergibt sich kinematisch ein Achsversatz von Kolben und Dichtring. Durch diesen Achsversatz wird die Gefahr der Extrusion des Dichtringes auf der Seite, die den Kolben weiter überragt, vergrößert.However, tests have shown that during operation, particularly at high pressures, at a large angle between the cylinder drum axis and the piston plate axis, and at high rotation speeds, the sealing ring tends to extrude towards the pressure-free interior of the housing, i.e. into the gap between the piston and the piston bore. The inclination of the piston axis relative to the piston bore axis results in a kinematic axial offset of the piston and sealing ring. This axial offset increases the risk of extrusion of the sealing ring on the side that protrudes further beyond the piston.
Beispielsweise wird bei einem Schwenkwinkel von 8° der Dichtring während eines vollständigen Umlaufs zweimal um circa 1% seines Durchmessers gedehnt und gestaucht, was auf lange Sicht zu einer Materialermüdung führt. Dies kann langfristig einen Dichtungsausfall zur Folge haben. Es hat sich aber auch gezeigt, dass insbesondere bei niedrigen Drehzahlen durch die Vorspannung des Dichtrings ein vergrößertes Losbrechmoment und Stick-Slip-Effekte zu ungleichmäßigem Lauf der Maschine führen. Besonders negativ an diesen Effekten ist ihr Einfluss in drehzahlgeregelten Anwendungen, bei denen durch Aufprägung einer bestimmten Drehzahl (auch von sehr geringen Drehzahlen) ein stabiler Systemdruck nicht erzielt werden kann. Die Regelbarkeit wird durch diese Effekte also erheblich erschwert.For example, at a swivel angle of 8°, the sealing ring is stretched and compressed twice by approximately 1% of its diameter during a complete rotation, which leads to material fatigue in the long term. This can lead to seal failure in the long term. However, it has also been shown that Particularly at low speeds, the preload of the sealing ring causes an increased breakaway torque and stick-slip effects, which lead to uneven running of the machine. These effects are particularly negative in speed-controlled applications, where a stable system pressure cannot be achieved by imposing a certain speed (even very low speeds). These effects therefore make controllability considerably more difficult.
Aus der
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Axialkolbenmaschine der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass ein reibungsarmer, pulsationsarmer, zuverlässiger Betrieb an der Dichtstelle zur Kolbenbohrung im kompletten Betriebsbereich der Maschine sichergestellt wird.The object of the invention is therefore to design an axial piston machine of the type mentioned at the outset in such a way that low-friction, low-pulsation, reliable operation at the sealing point to the piston bore is ensured in the entire operating range of the machine.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Axialkolbenmaschine nach dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Ein Herstellungsverfahren für die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine ist Gegenstand des Anspruchs 14. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved according to the invention with an axial piston machine according to
Erfindungsgemäß ist der Dichtring zumindest in einem Bereich, welcher während der Hubbewegungen an Innenwänden des Zylinders eine Abdichtung bewirkt, kugelförmig, das heißt wenigstens in diesem Bereich mit einem konstanten Krümmungsradius ausgebildet, wobei der Krümmungsradius des bereichsweise kugelförmig ausgebildeten Dichtrings im Wesentlichen dem halben Durchmesser des Zylinders entspricht. In der Praxis ist hierbei der Durchmesser des Dichtrings geringfügig kleiner gewählt als der Durchmesser des Zylinders, um ausreichend Spiel zwischen Zylinderinnenwand und Dichtring zuzulassen. Dieses Spiel bewegt sich beispielsweise um 10 µm.According to the invention, the sealing ring is spherical at least in an area which seals the inner walls of the cylinder during the stroke movements, i.e. it is designed with a constant radius of curvature at least in this area, the radius of curvature of the sealing ring, which is spherical in some areas, essentially corresponding to half the diameter of the cylinder. In practice, the diameter of the sealing ring is chosen to be slightly smaller than the diameter of the cylinder in order to allow sufficient play between the inner wall of the cylinder and the sealing ring. This play is, for example, around 10 µm.
Durch die bereichsweise kugelförmige Ausbildung des Dichtrings, bei dem der Krümmungsradius des bereichsweise kugelförmig ausgebildeten Dichtrings im Wesentlichen dem halben Durchmesser des Zylinders entspricht, ergibt sich ein Abdichtungsbereich, welcher ringförmig ist, also eine geschlossene Kreislinie bildet. Eine geschlossene Kreislinie verursacht weit geringere Reibungskräfte als eine Abdichtung, die durch ungünstige Abmessung und / oder Geometrie einer flächenartigen Abdichtung entspricht. Bei einer Drehung, bzw. Kippbewegung des kugelförmigen Dichtrings, verändert sich zwar die Position der kreisförmigen Dichtlinie auf der Oberfläche des zumindest abschnittsweise kugelförmigen Dichtrings, da aber der Durchmesser der Dichtkreislinie durch die Kugelform konstant ist und auch der Innendurchmesser des Zylinders konstant ist, ergibt sich unabhängig von der Position des Kolbens im Zylinder und unabhängig von dem Kippwinkel des Kolbens, immer genau das gleiche Spiel zwischen Zylinderinnenwand und des abschnittsweise kugelförmigen Dichtungselements, solange die Dichtungsaufnahme eine Ausgleichsbewegung des Dichtringes quer zur Kolbenachse erlaubt. Diese Ausgleichsbewegung ist notwendig, weil im Laufe einer Rotation der Zylindertrommel der Abstand zwischen Dichtring und Zylindertrommelachse auf Grund der Schrägstellung von Kolbenachse zu Zylindertrommelachse zyklisch variiert.The partially spherical design of the sealing ring, in which the radius of curvature of the partially spherical sealing ring essentially corresponds to half the diameter of the cylinder, results in a sealing area that is ring-shaped, i.e. forms a closed circular line. A closed circular line causes far lower friction forces than a seal that corresponds to a surface-like seal due to unfavorable dimensions and / or geometry. When the spherical sealing ring rotates or tilts, the position of the circular sealing line on the surface of the at least partially spherical sealing ring, but since the diameter of the sealing circle line is constant due to the spherical shape and the inner diameter of the cylinder is also constant, there is always exactly the same clearance between the inner cylinder wall and the partially spherical sealing element, regardless of the position of the piston in the cylinder and regardless of the tilt angle of the piston, as long as the seal holder allows a compensating movement of the sealing ring transverse to the piston axis. This compensating movement is necessary because during the rotation of the cylinder drum the distance between the sealing ring and the cylinder drum axis varies cyclically due to the inclination of the piston axis to the cylinder drum axis.
Durch eine Lagerung des Dichtringes, die eine seitliche Bewegung des Dichtringes quer zur Längsachse des Kolbens zulässt, kann der Dichtring radialen und tangentialen Kräften, die von der Relativbewegung zwischen Zylinderinnenwand und Dichtring entstehen, quer zur Kolbenachse ausweichen. Das war zwar schon im Stand der Technik möglich, aber wegen des wesentlichen kleineren Krümmungsradius des elastischen Dichtrings im Verhältnis zu dem Zylinderinnendurchmesser würde die Dichtlinie des Dichtrings, falls Zylinderinnendurchmesser und Durchmesser des Dichtrings ungefähr gleich gewählt sind, nur zweimal während einer Umdrehung idealerweise mit dem Zylinderinnendurchmesser korrespondieren. Zwischen diesen beiden idealen Stellungen, wäre der Dichtkreis wesentlich kleiner als der Zylinderinnendurchmesser und würde daher zu Leckagen führen. Deswegen wurde im Stand der Technik der Durchmesser des Dichtrings etwas größer als der Zylinderinnendurchmessers gewählt. Durch den überdimensionierten elastischen Dichtring werden diese Kraftunterschiede teilweise durch reversible Verformung des elastischen Dichtring aufgenommen, was aber in dem Zylinder an einigen Stellen zu flächenförmigen Dichtflächen und gleichzeitig an anderen Stellen zu einem Spalt zwischen Dichtring und Zylinderinnenwand führt. Mit einem Durchmesser des Dichtrings, der größer ist als der Zylinderinnendurchmesser, ist jedoch ein Verklemmen des Dichtrings, wenn ein Dichtring aus einem starren Material gewählt wird, unausweichlich.By mounting the sealing ring in a way that allows lateral movement of the sealing ring across the longitudinal axis of the piston, the sealing ring can avoid radial and tangential forces that arise from the relative movement between the inner cylinder wall and the sealing ring, across the piston axis. This was already possible in the prior art, but because of the significantly smaller radius of curvature of the elastic sealing ring in relation to the inner cylinder diameter, the sealing line of the sealing ring would ideally only correspond to the inner cylinder diameter twice during one revolution if the inner cylinder diameter and the diameter of the sealing ring were chosen to be approximately the same. Between these two ideal positions, the sealing circle would be significantly smaller than the inner cylinder diameter and would therefore lead to leaks. For this reason, in the prior art, the diameter of the sealing ring was chosen to be slightly larger than the inner cylinder diameter. The oversized elastic sealing ring partially absorbs these force differences through reversible deformation of the elastic sealing ring, which leads to flat sealing surfaces in some places in the cylinder and at the same time to a gap between the sealing ring and the cylinder inner wall in other places. With a sealing ring diameter that is larger than the cylinder inner diameter, however, jamming of the sealing ring is unavoidable if a sealing ring made of a rigid material is selected.
Mit der erfindungsmäßen Ausgestaltung ergibt sich nunmehr während einer Rotation der Zylindertrommel in jeder Position eine einer Kreislinie angenäherte Dichtfläche zwischen Zylinderinnenwand und Dichtring, wobei das Spiel zwischen Dichtring und Zylinderwand während der Hubbewegung konstant gehalten wird. Hierdurch wird es ermöglicht, für den Dichtring ein nicht verformbares Material zu wählen, so dass ein Extrudieren des Dichtrings auch unter hohen Drücken und / oder hohen Rotationsgeschwindigkeiten der Zylindertrommel vermieden wird. Gleichzeitig oder alternativ kann das Material des Dichtrings aus einem insbesondere gegen Verschleiß widerstandsfähigen Material gewählt werden. Hierdurch ergibt sich eine längere Lebensdauer des Dichtrings, so dass der Dichtring während der Lebensdauer der Kolbenmaschine weniger, oder überhaupt nicht mehr getauscht werden muss.With the design according to the invention, a sealing surface approximating a circular line is now created between the cylinder inner wall and the sealing ring in every position during rotation of the cylinder drum, with the clearance between the sealing ring and the cylinder wall being kept constant during the stroke movement. This makes it possible to select a non-deformable material for the sealing ring, so that extrusion of the sealing ring is avoided even under high pressures and/or high rotation speeds of the cylinder drum. At the same time or alternatively, the material of the The sealing ring should be made of a material that is particularly resistant to wear. This results in a longer service life for the sealing ring, meaning that the sealing ring needs to be replaced less often or not at all during the service life of the piston machine.
Da bei einer Kugel der Durchmesser eines Großkreises unabhängig davon ist, in welche Richtung die Kugel gedreht wird, kann das Kolbenelement sich bei der Hubbewegung und gleichzeitiger Ausgleichsbewegung auch nicht im Zylinder verklemmen, weil der Durchmesser von der jeweils dichtenden Kreislinie im Vergleich zum Durchmesser des Zylinders unverändert bleibt. Die Verluste der Axialkolbenmaschine und der Verschleiß werden somit reduziert.Since the diameter of a great circle in a ball is independent of the direction in which the ball is rotated, the piston element cannot jam in the cylinder during the stroke movement and simultaneous compensating movement because the diameter of the respective sealing circle remains unchanged compared to the diameter of the cylinder. The losses of the axial piston machine and the wear are thus reduced.
In einer Ausführungsform besteht der Dichtring aus Keramik. Es eignen sich hierfür sowohl Oxidkeramik, wie beispielsweise Aluminiumoxid Al2O3 oder Zirkondioxid ZrO2 oder alternativ Nichtoxidkeramik, wie beispielsweise Siliziumkarbid SiC oder Siliziumnitrid Si3N4.In one embodiment, the sealing ring is made of ceramic. Oxide ceramics, such as aluminum oxide Al2O3 or zirconium dioxide ZrO2, or alternatively non-oxide ceramics, such as silicon carbide SiC or silicon nitride Si3N4, are suitable for this purpose.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Dichtringaufnahme einen Zapfen und der Dichtring weist eine zu dem Zapfen korrespondierende zentrale Innenöffnung auf, wobei der Innenöffnungsdurchmesser des Dichtrings größer gewählt ist als der Zapfendurchmesser. Die Differenz zwischen Zapfendurchmesser und Innendurchmesser des Dichtrings kann hierdurch entsprechend dem benötigten horizontalen Spiel, also dem Spiel quer zur Kolbenlängsachse gewählt werden.In a further embodiment, the sealing ring holder comprises a pin and the sealing ring has a central inner opening corresponding to the pin, wherein the inner opening diameter of the sealing ring is selected to be larger than the pin diameter. The difference between the pin diameter and the inner diameter of the sealing ring can thus be selected according to the required horizontal play, i.e. the play transverse to the piston's longitudinal axis.
In einer weiteren Ausführungsform der Axialkolbenmaschine ist der Kolben derart ausgestaltet ist, dass ein Druckausgleich zwischen Kolbeninnenraum und dem Inneren des Dichtrings ermöglicht wird. Ein solcher Druckausgleich kann beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass der Dichtring mit vertikalem Spiel, also Spiel in Richtung zur Kolbenlängsachse in der Dichtungsaufnahme befestigt ist, so dass sich über den Spalt des Spieles der Druck innerhalb der Dichtringaufnahme an den Druck im Kolbenraum dynamisch anpassen kann. In alternativen Ausführungsformen wird der Druckausgleich zwischen Kolbeninnenraum und dem Inneren des Dichtrings wahlweise durch ein oder mehrere Durchbrüche im Deckel hergestellt. In einer anderen Ausführungsform sind alternativ oder zusätzlich Druckausgleichsbohrungen, die sich von der Oberseite des Zapfens in das Innere des Dichtrings erstrecken, vorgesehen. Dies ermöglicht, ungleiche Geometrien der Mantelfläche des Dichtrings und der Innenfläche des Dichtringes für eine gezielte Verformung des Dichtrings zu nutzen, um die Dichtwirkung des Dichtrings zu erhöhen.In a further embodiment of the axial piston machine, the piston is designed in such a way that pressure equalization is possible between the piston interior and the interior of the sealing ring. Such pressure equalization can be achieved, for example, by fastening the sealing ring in the seal holder with vertical play, i.e. play in the direction of the piston's longitudinal axis, so that the pressure within the sealing ring holder can dynamically adapt to the pressure in the piston chamber via the gap of the play. In alternative embodiments, pressure equalization between the piston interior and the interior of the sealing ring is optionally achieved by one or more openings in the cover. In another embodiment, alternatively or additionally, pressure equalization bores are provided that extend from the top of the pin into the interior of the sealing ring. This makes it possible to use unequal geometries of the outer surface of the sealing ring and the inner surface of the sealing ring for targeted deformation of the sealing ring in order to increase the sealing effect of the sealing ring.
Bei ungleicher Geometrie der Mantelfläche des Dichtrings zu der Geometrie der Innenfläche des Dichtringes sind die Normalkräfte die von dem Druckmittel im Kolbenraum auf den Dichtring wirken unterschiedlich zu den Normalkräften in der Dichtringaufnahme, welche auf die Innenseite des Dichtrings wirken. Insbesondere bei sehr hohen Drücken des Druckmittels kann dies zu Verformungen des Dichtrings führen. Diese zunächst als unerwünscht empfundene Verformung wird in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, bei dem die zentrale Innenöffnung des Dichtrings eine umlaufende wulstartige Ausnehmung aufweist, sogar noch verstärkt.If the geometry of the outer surface of the sealing ring is different from the geometry of the inner surface of the sealing ring, the normal forces that act on the sealing ring from the pressure medium in the piston chamber are different from the normal forces in the sealing ring holder that act on the inside of the sealing ring. This can lead to deformation of the sealing ring, particularly at very high pressures of the pressure medium. This deformation, which is initially perceived as undesirable, is even increased in an embodiment according to the invention in which the central inner opening of the sealing ring has a circumferential bead-like recess.
Diese wulstartige Ausnehmung erlaubt dem Dichtring sich bei hohen Innendrücken im Kolbenraum zusätzlich auszudehnen. Es hat sich gezeigt, dass selbst bei massiv gefertigten Zylindertrommeln, wenn ein Kolbenraum der Zylindertrommel mit der Hochdruckseite verbunden ist, diese innere Druckkraft zu einer Aufweitung bzw. einer Verformung des entsprechenden Zylinders führen kann. Eine solche einseitige Aufweitung würde zu einer Vergrößerung des Spaltes zwischen Zylinderinnenwand und Dichtring führen. Daher ist es sinnvoll, den Dichtring von seiner Geometrie so zu gestalten, dass er sich ebenfalls aufweiten kann und somit der Spalt zwischen Kolbenbohrung und Dichtring nahezu konstant bleibt. Da der Arbeitsdruck im Kolbenraum in gleicher Höhe auf die innere Geometrie des Dichtungsringes wirkt, wird der Dichtring sich also entsprechend mit aufweiten. Die Form beziehungsweise Wandstärke der Innenkontur des Dichtringes kann nun so gestaltet werden, dass sich der Dichtring exakt soweit aufweitet, wie auch der Innendurchmesser der Kolbenbohrung der Zylindertrommel. Dadurch bleibt der Spalt konstant. In erster Näherung kann dies durch die wulstartige Ausnehmung des Dichtrings erreicht werden. Bei sehr hohem Drücken, von beispielsweise 350 bar und darüber kann die Querschnittsform des Dichtrings über eine geometrieoptimierte Auslegung der Ringgeometrie über entsprechende Verformungsanalysen mit der Finiten Element Methode exakt bestimmt werden.This bead-like recess allows the sealing ring to expand further when the internal pressure in the piston chamber is high. It has been shown that even with solid cylinder drums, if a piston chamber of the cylinder drum is connected to the high-pressure side, this internal pressure force can lead to an expansion or deformation of the corresponding cylinder. Such one-sided expansion would lead to an increase in the gap between the inner cylinder wall and the sealing ring. It is therefore sensible to design the geometry of the sealing ring in such a way that it can also expand and thus the gap between the piston bore and the sealing ring remains almost constant. Since the working pressure in the piston chamber acts at the same level on the internal geometry of the sealing ring, the sealing ring will expand accordingly. The shape or wall thickness of the inner contour of the sealing ring can now be designed in such a way that the sealing ring expands exactly as much as the inner diameter of the piston bore of the cylinder drum. This keeps the gap constant. To a first approximation, this can be achieved by the bead-like recess in the sealing ring. At very high pressures, for example 350 bar and above, the cross-sectional shape of the sealing ring can be precisely determined by a geometry-optimized design of the ring geometry using appropriate deformation analyses with the finite element method.
Alternativ zur wulstartigen Ausnehmung weist die zentrale Innenöffnung des Dichtrings einen stufenförmigen Verlauf auf. Eine erste Stufe weist einen ersten Innendurchmesser auf und eine zweite Stufe einen zweiten Innendurchmesser, wobei der zweite Innendurchmesser größer gewählt ist als der erste Innendurchmesser. Der erste Innendurchmesser entspricht hierbei dem Innendurchmesser eines nicht gestuften Dichtrings. Der erste Innendurchmesser kann daher auf den Zapfendurchmesser der Dichtringaufnahme angepasst sein, so dass der erste Innendurchmesser auf die Übertragung von Drehmomenten zwischen Zylindertrommel und Kolben / Kolbenplatte über die Kontaktfläche von Dichtring und Zapfen optimiert werden kann. Der zweite Innendurchmesser hingegen, da er an der Drehmomentübertragung nicht beteiligt ist, kann dann auf eine optimale Ausdehnung optimiert werden, um sich bei steigenden, hohen Betriebsdrücken der aufweitenden Kolbenbohrung anzupassen.As an alternative to the bead-like recess, the central inner opening of the sealing ring has a stepped profile. A first step has a first inner diameter and a second step has a second inner diameter, with the second inner diameter being selected to be larger than the first inner diameter. The first inner diameter corresponds to the inner diameter of a non-stepped sealing ring. The first inner diameter can therefore be adapted to the pin diameter of the sealing ring holder, so that the first inner diameter is adapted to the transmission of torque between the cylinder drum and the piston/piston plate. can be optimized via the contact surface of the sealing ring and the journal. The second inner diameter, however, since it is not involved in the torque transmission, can then be optimized for optimal expansion in order to adapt to the expanding piston bore at increasing, high operating pressures.
In einer Ausführungsform besteht der Dichtring aus Metall, beispielsweise Eisen, einer Stahllegierung, oder einer sonstigen Metalllegierung. Es eignen sich hierfür insbesondere gehärteter Stahl mit Oberflächenhärten größer 48 Härteprüfung nach Rockwell, HRC, insbesondere Vergütungsstahl beispielsweise 100Cr6 mit einer Oberflächenhärte von ca. 62 HRC, insbesondere Einsatzstahl, beispielsweise 16MnCr5 mit einer Oberflächenhärte von ca. 60 HRC. Im Gegensatz zu vielen Keramiken haben Dichtringe aus Metall den Vorteil, dass sie sich bei entsprechender dünner Wandung durch den Kolbeninnendruck aufdehnen und somit zu einer besseren Abdichtung zwischen Dichtring und Kolbenrauminnenwand beitragen. Allerdings kann dieser Effekt auch mit Keramiken erreicht werden, die ein ähnliches Elastizitätsmodul wie Stahl aufweisen. Zum Beispiel bei Keramiken aus Zirkonoxid ZrO2 dehnen sich Ringe aus Zirkonoxid ZrO2 und Stahl überwiegend gleich aus.In one embodiment, the sealing ring is made of metal, for example iron, a steel alloy, or another metal alloy. Hardened steel with a surface hardness greater than 48 Rockwell hardness test, HRC, is particularly suitable for this, in particular tempering steel, for example 100Cr6 with a surface hardness of approx. 62 HRC, in particular case-hardened steel, for example 16MnCr5 with a surface hardness of approx. 60 HRC. In contrast to many ceramics, sealing rings made of metal have the advantage that, if the wall is thin enough, they expand due to the internal piston pressure and thus contribute to a better seal between the sealing ring and the inner wall of the piston chamber. However, this effect can also be achieved with ceramics that have a similar modulus of elasticity to steel. For example, in the case of ceramics made of zirconium oxide ZrO 2, rings made of zirconium oxide ZrO 2 and steel expand largely in the same way.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Oberflächeneigenschaften eines aus Metallen gefertigten Dichtrings in Bezug auf Oberflächenhärte, Reibbeiwerte und Verschleißbeständigkeit durch nachgelagerte Prozesse wie beispielsweise Nitrieren, Nitrocarburieren oder Hartstoffbeschichtung verbessert.In a further embodiment, the surface properties of a sealing ring made of metals in terms of surface hardness, friction coefficients and wear resistance are improved by downstream processes such as nitriding, nitrocarburizing or hard material coating.
Ein Dichtring, erhalten aus einer Kugelscheibe, muss in axialer Richtung nicht zwingend symmetrisch ausgeführt sein. Durch eine Geometrie mit einer unsymmetrischen Kugelscheibe kann das druckabhängige Spiel zwischen Kugelring und Zylinderwand klein gehalten werden, um so eine möglichst geringe Leckage zu erzielen. Der Kugelring wird durch diese Gestaltung und den anliegenden Pumpendruck gezielt aufgedehnt.A sealing ring made from a spherical disk does not necessarily have to be symmetrical in the axial direction. A geometry with an asymmetrical spherical disk can keep the pressure-dependent play between the ball ring and the cylinder wall small in order to achieve the lowest possible leakage. The ball ring is expanded in a targeted manner by this design and the applied pump pressure.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Dichtring in der Dichtringaufnahme mit einem Deckel gegen eine Bewegung entlang zur Längsachse des Kolbens gesichert. Der Deckel bildet den Kolbenboden und begrenzt gleichzeitig bei einer Abwärtsbewegung des Kolbens, das heißt in der Expansionsphase, abgesehen von einem planmäßig vorgesehenen vertikalen Spiel, eine Auswanderung des Dichtrings in Richtung des Deckels.In a further embodiment, the sealing ring in the sealing ring holder is secured with a cover against movement along the longitudinal axis of the piston. The cover forms the piston bottom and at the same time limits the migration of the sealing ring in the direction of the cover during a downward movement of the piston, i.e. in the expansion phase, apart from a planned vertical play.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Deckel mit einer Schraube, oder durch Klemmen oder durch Pressung an dem Kolben angebracht. Dies sind Befestigungsmethoden, die eine Abnahme des Deckels im Reparaturfall ermöglichen und so das Austauschen des Dichtrings im Verschleißfall vereinfachen.In a further embodiment, the cover is attached to the piston with a screw, or by clamping or pressing. These are Fastening methods that allow the cover to be removed in the event of repairs, thus simplifying the replacement of the sealing ring in the event of wear.
Mathematisch gesehen ist die Oberfläche des abschnittsweisen kugelförmigen Dichtrings, die mit den Innenwänden des Zylinders in Kontakt tritt, eine symmetrische Kugelzone. Eine Kugelzone ist die gekrümmte Außenseite beispielsweise einer Kugelscheibe oder eines Kugelrings. Eine Kugelscheibe, oder auch Kugelschicht genannt, erhält man als den Mittelteil einer Vollkugel, wenn die Vollkugel von zwei parallelen Ebenen in drei Teile geschnitten wird. Wenn die parallelen Ebenen hierbei auf unterschiedlichen Seiten des Kugelmittelpunktes liegen und zugleich gleichen Abstand zum Kugelmittelpunkt haben, dann handelt es sich um eine symmetrische Kugelscheibe, deren Außenfläche eben eine symmetrische Kugelzone ergibt. Wenn die zwei parallelen Schnittebenen unterschiedlichen Abstand zum Kugelmittelpunkt haben kann auf diese Weise auch sehr einfach auch eine unsymmetrische Kugelscheibe gefertigt werden. Da der technische Aufwand, eine ausreichend perfekte Kugelform zu fertigen, relativ gering ist, lässt sich ein derartiger Dichtring mit relativ geringen Aufwand aus Vollkugeln mit entsprechendem Durchmesser fertigen, indem beiderseits eines gewählten Kugelgroßkreises Kugelsegmente entfernt werden, beispielsweise durch Fräsen, wodurch die gewünschte symmetrische oder asymmetrische Kugelscheibe entsteht. Solche Vollkugeln werden beispielsweise mit entsprechender Fertigungsgenauigkeit für Kugelgelenke und Schwenklager als Standardbauteile angeboten und sind somit allgemein und kostengünstig erhältlich.Mathematically speaking, the surface of the sectioned spherical sealing ring that comes into contact with the inner walls of the cylinder is a symmetrical spherical zone. A spherical zone is the curved outside of, for example, a spherical disk or a spherical ring. A spherical disk, or also called a spherical layer, is obtained as the middle part of a solid sphere when the solid sphere is cut into three parts by two parallel planes. If the parallel planes lie on different sides of the center of the sphere and are at the same distance from the center of the sphere, then it is a symmetrical spherical disk whose outer surface results in a symmetrical spherical zone. If the two parallel cutting planes are at different distances from the center of the sphere, an asymmetrical spherical disk can also be manufactured very easily in this way. Since the technical effort required to produce a sufficiently perfect spherical shape is relatively low, such a sealing ring can be manufactured with relatively little effort from solid balls with the appropriate diameter by removing ball segments on both sides of a selected great circle of the ball, for example by milling, which creates the desired symmetrical or asymmetrical spherical disk. Such solid balls are offered as standard components with the appropriate manufacturing precision for ball joints and swivel bearings, for example, and are therefore generally available and inexpensive.
In eine solche Art erhaltene Kugelscheibe kann dann mit einer Bohrung eine zentrale Mittelöffnung mit dem gewünschten Durchmesser geschaffen werden, die die Aufnahme des Dichtrings in einem Zapfen ermöglicht. Wie in den alternativen Ausführungsformen vorgesehen kann die Innenseite der Dichtscheibe ausgefräst werden um beispielsweise die Wandstärke des Dichtrings an einen gewünschten Verlauf anzupassen.A central opening with the desired diameter can then be created in a spherical disk obtained in this way, which allows the sealing ring to be accommodated in a pin. As provided in the alternative embodiments, the inside of the sealing disk can be milled out in order, for example, to adapt the wall thickness of the sealing ring to a desired shape.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Kolben mit einem Ende auf der Kolbenplatte befestigt. Dadurch, dass Änderungen in der Position des Kolbens im Zylinder durch das Spiel des Dichtrings und die abschnittswiese kugelförmige Form des Dichtrings vollkommen ausgeglichen werden, benötigt der Kolben an dem Kolbenboden abgewandten Ende des Kolbens keine Gelenke oder Gleitschuhe. Er kann vielmehr fest mit der Kolbenplatte verbunden werden.In a further embodiment, the pistons are attached to the piston plate at one end. Because changes in the position of the piston in the cylinder are completely compensated by the play of the sealing ring and the partially spherical shape of the sealing ring, the piston does not require any joints or sliding shoes at the end of the piston facing away from the piston crown. Instead, it can be firmly connected to the piston plate.
In einer weiteren Ausführungsform verjüngt sich der Kolbendurchmesser im Bereich zwischen der Dichtringaufnahme und dem einen Ende zunehmend. Damit wird eine Kippbewegung des Kolbens innerhalb des Zylinders ermöglicht, die im Betrieb eine Berührung des Kolbens mit den Zylinderinnenwänden ausschließt.In a further embodiment, the piston diameter tapers increasingly in the area between the sealing ring holder and one end. This enables a Tilting movement of the piston within the cylinder enables this to prevent contact between the piston and the inner cylinder walls during operation.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Kolben im Bereich zwischen der Dichtringaufnahme und dem einen Ende die Form eines Kegelstumpfes auf.In a further embodiment, the piston has the shape of a truncated cone in the area between the sealing ring holder and one end.
In einer weiteren Ausführungsform sind Kolbenbohrungsachsen der Zylinder auf einer ersten Kreislinie, Kolbenbohrungsteilkreis, um eine Zylindertrommelachse verteilt, und die Kolbenlängsachsen auf einer zweiten Kreislinie, Kolbenteilkreis, um eine Kolbenplattenachse verteilt, wobei der Durchmesser (DK) der zweiten Kreislinie größer gewählt ist als der Durchmesser (Dz ) der ersten Kreislinie. Die Größenunterschiede zwischen erster Kreislinie und zweiter Kreislinie lassen sich durch die erfinderische Gestaltung von Dichtring und Zapfen ausgleichen und so eine kompaktere Bauart der Axialkolbenmaschine erzielen.In a further embodiment, the piston bore axes of the cylinders are distributed on a first circular line, piston bore pitch circle, around a cylinder drum axis, and the piston longitudinal axes are distributed on a second circular line, piston pitch circle, around a piston plate axis, wherein the diameter (D K ) of the second circular line is selected to be larger than the diameter (D z ) of the first circular line. The size differences between the first circular line and the second circular line can be compensated for by the inventive design of the sealing ring and pin, thus achieving a more compact design of the axial piston machine.
In einer weiteren Ausführungsform wird diese Ausgestaltung des Kolbens in einer sogenannten Floating Piston Maschine verwendet.In a further embodiment, this design of the piston is used in a so-called floating piston machine.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Axialkolbenmaschine als eine Schrägscheibenmaschine ausgebildet.In a further embodiment, the axial piston machine is designed as a swash plate machine.
Die Erfindung wird nun anhand von in den Zeichnungen abgebildeten Ausführungsbeispielen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- eine Schemazeichnung einer Axialkolbenmaschine mit den erfindungsgemäß ausgestalteten Kolben in einer neutralen Position
- Fig. 2
- eine Schemazeichnung einer Axialkolbenmaschine mit den erfindungsgemäß ausgestalteten Kolben in einer geschwenkten Position
- Fig. 3
- kegelstumpfförmiger Aufbau eines Kolbens
- Fig. 4
- zylinderförmiger Aufbau eines Kolbens
- Fig. 5
- einen kegelstumpfförmigen Kolben mit montiertem Dichtring
- Fig. 6
- Beispiel eines symmetrischen Dichtringes, das nicht um einen Teil der Erfindung, sondern um einen Stand der Technik handelt, der das Verständnis der Erfindung erleichtert.
- Fig. 7
- Beispiel eines asymmetrischen Dichtringes, das nicht um einen Teil der Erfindung, sondern um einen Stand der Technik handelt, der das Verständnis der Erfindung erleichtert.
- Fig. 8
- Ausführungsbeispiel eines symmetrischen Dichtringes mit innenseitigem Wulst
- Fig. 9
- Ausführungsbeispiel eines Dichtringes mit stufenförmiger Innenseite
- Fig. 10
- Beispiel eines Dichtrings mit kontinuierlicher Aufweitung seines Innendurchmessers in seinem oberen Bereich, das nicht um einen Teil der Erfindung, sondern um einen Stand der Technik handelt, der das Verständnis der Erfindung erleichtert.
- Fig. 11
- einen Kolben mit einem Dichtring mit wulstartiger Innenausnehmung und Druckausgleichsbohrung
- Fig. 12
- einen Kolben mit einem Dichtring mit gestuftem Innenprofil und Druckausgleichsbohrung
- Fig.1
- a schematic drawing of an axial piston machine with the pistons designed according to the invention in a neutral position
- Fig.2
- a schematic drawing of an axial piston machine with the pistons designed according to the invention in a pivoted position
- Fig.3
- truncated cone-shaped structure of a piston
- Fig.4
- cylindrical structure of a piston
- Fig.5
- a truncated cone-shaped piston with mounted sealing ring
- Fig.6
- Example of a symmetrical sealing ring which is not part of the invention but is prior art which facilitates the understanding of the invention.
- Fig.7
- Example of an asymmetric sealing ring which is not part of the invention but is prior art which facilitates the understanding of the invention.
- Fig.8
- Example of a symmetrical sealing ring with inner bead
- Fig.9
- Example of a sealing ring with stepped inner side
- Fig.10
- Example of a sealing ring with a continuous widening of its inner diameter in its upper region, which is not part of the invention but is prior art which facilitates the understanding of the invention.
- Fig. 11
- a piston with a sealing ring with a bead-like inner recess and pressure compensation bore
- Fig. 12
- a piston with a sealing ring with stepped inner profile and pressure compensation bore
Bei dem Ausführungsbeispiel ist eine Mehrzahl von Zylindern 3 kreisförmig und gleichmäßig um eine Zylindertrommelachse 70 einer Zylindertrommel 7 verteilt. In dem Ausführungsbeispiel sind die Zylinder 3 als Kolbenbohrungen 3 ausgeführt und werden von nun an als solche bezeichnet. Dem Fachmann ist jedoch klar, dass ein Zylinder 3 auch anderweitig als durch eine Kolbenbohrung gefertigt sein kann. Um harmonische Schwingungen zu vermeiden wird üblicherweise eine ungerade Anzahl von Kolbenbohrungen 3 gewählt. An der Oberseite 71 der Zylindertrommel 7 weist jede Kolbenbohrung 3 eine Verbindungsbohrung 33 auf, über welche von der sogenannten Hochdruckseite der Floating Piston Maschine 1 den Kolbenbohrungen 3 ein Druckmittel zugeführt beziehungsweise abgeführt werden kann.In the exemplary embodiment, a plurality of
Die Zylindertrommel 7 ist so gelagert, dass eine Drehung um die Zylindertrommelachse 70 erlaubt wird. Zur Übertragung von Drehmomenten ist an der Zylindertrommel 7 eine Welle 72 angeordnet, welche im Falle der Betriebsart der Floating Piston Maschine als Pumpe eine Antriebswelle und im Falle der Betriebsart der Floating Piston Maschine als Kraftmaschine eine Abtriebswelle zur Verfügung stellt. Der Abstand R von einer Kolbenbohrungsachse 30 zu der Zylindertrommelachse 70 beträgt in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel 45 mm, während die Kolbenbohrungen 3 jeweils einen Innendurchmesser D von 15 mm aufweisen. Um die Erfindung besser zu veranschaulichen sind die Figuren nicht maßstabsgetreu ausgeführt und geben Einzelheiten teilweise stark vergrößert wieder.The
Die Kolben 2 sind rotationsymmetrisch ausgeführt. Die Symmetrieachse der Kolben 2 wird im Folgenden auch als Längsachse 20 des Kolben 2 bezeichnet.
Die Kolbenplatte 8 ist als Kreisscheibe ausgeführt durch deren Kreisscheibenmittelpunkt sich eine Kolbenplattenachse 80 senkrecht zur Kolbenplatte 8 erstreckt. Die Kolbenplatte 8 ist drehbar gelagert, so dass sich die Kolbenplatte 8 um die Kolbenplattenachse 80 drehen kann. Die Schrägscheibe 9 ist ebenfalls als Kreisscheibe ausgeführt und durch deren Kreisscheibenmittelpunkt erstreckt sich senkrecht zur Schrägschreibe 9 eine Schrägscheibenachse 90. In dem neutralen Zustand der Floating Piston Maschine 1 sind die Kolbenplattenachse 80 und die Schrägscheibenachse 90 in einer Linie mit der Zylindertrommelachse 70.The
Im Folgenden wird eine Ebene, die sich senkrecht um die Zylindertrommelachse 70 erstreckt als Zylindertrommelebene 75 und eine Ebene die sich senkrecht zur Kolbenplattenachse erstreckt als Kolbenplattenebene 85 bezeichnet. Im neutralen Zustand sind Zylindertrommelebene 75 und Kolbenplattenebene 85 parallel zueinander ausgerichtet. Bei Rotation der Zylindertrommel 7 bleibt in der neutralen Lage der Abstand zwischen Unterseite 72 der Zylindertrommel 7 und Oberseite 81 der Kolbenplatte 8 konstant. Wegen des konstanten Abstands führen die Kolben 2 keine Hubbewegung aus. Dieser Abstand zwischen Unterseite 72 der Zylindertrommel und Oberseite 81 der Kolbenplatte 8 wird im Folgenden daher als neutraler Abstand S0 bezeichnet.In the following, a plane that extends perpendicularly around the
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Kolbenplatte 8 gegenüber der Zylindertrommelebene 85 schwenkbar ausgebildet. Bei einer Schwenkung der Schrägscheibe 9 ist darauf zu achten, dass sich die Zylindertrommelachse 70 und die Schrägscheibenachse 90 in einem Schwenkpunkt X unter einem Winkel α schneiden. Da die Kolbenplatte 8 auf der Schrägscheibe 9 gleitet und somit Kolbenplatte 8 und Schrägscheibe 9 dadurch stets parallel zueinander ausgerichtet bleiben ergibt sich aus einer geometrischen Gesetzmäßigkeit, dass der Winkel α unter welchem die Zylindertrommelebene 75 und die Kolbenplattenebene 85 sich schneiden dem Schwenkwinkel α entspricht. Der Schwenkwinkel α entspricht auch dem Winkel unter welchen die Kolbenachsen 20 gegenüber den Zylinderbohrungsachse 30 gekippt sind. Bei einem Schwenkwinkel α = 0°, der neutralen Lage, sind die Kolbenachsen 20 parallel zu den Kolbenbohrungsachsen 30 ausgerichtet.In this embodiment, the
Bei einem Schwenkwinkel α ungleich 0° wird eine Hälfte der Kolbenplatte 8 von der Zylindertrommel 7 weggekippt, und die andere Hälfte der Kolbenplatte der Zylindertrommel 7 zugeneigt, so dass bei einer Rotation sich der Abstand zwischen der Zylindertrommelunterseite 72 und der Kolbenplattenoberseite 81 fortlaufend ändert. Hierbei durchläuft die Kolbenplatte 8 während einer Drehung ausgehend von dem mittleren Abstand nach einer viertel Vollkreisdrehung einen maximalen Abstand Smax; nach einer weiteren Viertel Vollkreisdrehung kehrt die Oberseite 81 der Kolbenplatte 8 wieder zu dem mittleren Abstand zurück; nach einer weiteren Viertel Vollkreisdrehung durchläuft die Oberseite 81 der Kolbenplatte 8 einen minimalen Abstand Smin zur Unterseite der Zylindertrommel 7 und nach einer weiteren Viertel Vollkreisdrehung kehrt die Kolbenplatte 8 an ihrem Ausganspunkt zurück. Um diese Stellungen in der
Da die Kolben 2 mit ihrem Kolbenfuß 22 mit der Kolbenplatte 8 fest verbunden sind, führen die Kolben 2 zwangsweise diese Auf- und Abbewegungen bei einer Rotation von Zylindertrommel 7 und Kolbenplatte 8 aus. Bei der Aufwärtsbewegung verkleinert sich der Kolbenraum 31, der durch den Dichtring 5 zur Gehäuseinnenseite abgedichtet ist, bis der Kolben 2 einen oberen Totpunkt OT erreicht, wo er seine Hubbewegungsrichtung wechselt. Der Obere Totpunkt OT des Kolbens 2 ist identisch mit der Position, bei der die Kolbenplatte 8 den minimalen Abstand Smin erreicht hat. In der darauffolgenden Abwärtsbewegung vergrößert sich der Kolbenraum bis der Kolben 2 einen unteren Totpunkt UT erreicht, wo die Hubbewegung nach unten wieder in eine Hubbewegung nach oben wechselt. Der Untere Totpunkt UT ist identisch zur Position, bei der die Oberseite 81 der Kolbenplatte 8 einen maximalen Abstand Smax zur Unterseite 72 der Zylindertrommel 7 erreicht hat.Since the
Der Kolbenfuß 22 ist vorteilhafterweise als Zylinder ausgeformt, weil hierdurch der Kolbenfuß 22 von einem Durchgangsloch in der Kolbenplatte 8 aufgenommen werden kann. Da sich im Anschluss an den Kolbenfuß 22 der Kolben entweder als Kegelstumpf verbreitert, oder eben eine Stufe zu dem größeren zylindrischen Mittelteil 24 bildet, stützt sich der Kolben 2 auf der Kolbenplattenoberseite 81 ab, um die Kräfte die im Kolbenraum 31 auf den Kolbenkopf 21 wirken in die Kolbenplatte 8 abzuleiten.The
Falls der Mittelteil 24 gegenüber dem Kolbenfuß 22 keine Verbreiterung aufweist kann diese Abstützung alternativ dadurch erreicht werden, dass die Aufnahmen für den Kolbenfuß 22 als Sacklöcher ausgeführt sind und sich der jeweilige Kolbenfuß 22 in dem jeweiligen Sackloch abstützt. Die Kolbenfüße 22 sind beispielsweise durch Verpressen in der Durchgangsbohrung beziehungsweise dem Sackloch gegen jede Art von Bewegung fixiert. Alternativ kann eine Verbindung auch anderweitig form- oder kraftschlüssig erfolgen, zum Beispiel durch Einpressen, Schrumpfen, Gewinde oder Schweißen.If the
Wir betrachten zunächst den Fall, dass die Kolbenplattenebene 85 parallel zu der Zylindertrommelebene 75 ausgerichtet ist und dabei die Zylindertrommelachse 70 mit der Kolbenplattenachse 80 und der Schrägscheibenachse 90 zusammenfällt, also der neutralen Lage. Bei einer Rotation von Zylindertrommel 7 und Kolbenplatte 8 in der neutralen Lage führen die Kolben 2 keine Hubbewegung aus, weil keine Relativbewegungen in Richtung der Kolbenbohrungsachsen 30 auftreten. So wirken auf den Dichtring 5 auch keine vertikalen Kräfte, d.h. Kräfte parallel zur Zylindertrommelachse 70.We first consider the case where the
Betrachten wir nun an Hand der
Diesem Verklemmen wird bei der erfindungsgemäßen Floating Piston Maschine 1 auf zwei Arten entgegengewirkt. Zum einen ist die Kolbenplatte 8 auf der Schrägscheibe 9 verschiebbar gelagert. Die Drücke von den Kolbenräumen 31 werden über die starren Kolben 2 auf die Kolbenplatte 8 übertragen und verschieben die Kolbenplatte 8 auf der Schrägscheibe 9. Dies ist in der
Durch die abschnittsweise kugelförmige Mantelfläche 52 des Dichtrings 5 mit einem Krümmungsradius r der im Wesentlichen dem halben Kolbenbohrungsdurchmessers D/2 entspricht, berühren sich Kolbenbohrungsinnenwand 32 und Dichtring 5 in einer Kreislinie, dem Dichtkreis 59, unabhängig davon, wie stark die Kolbenlängsachse 20 gegenüber der Kolbenbohrungsachse 30 gekippt ist und damit wie tief der Kolben 2 in seiner Hubbewegung in die Kolbenbohrung 3 eintaucht. Hierdurch steht die Ebene, in der der Dichtkreis 59 liegt, stets senkrecht zur Kolbenbohrungsachse 30. Hierdurch wird der Verschleiß im Kontakt Dichtring - Kolbenbohrung reduziert und die Axialkolbenmaschine wiederum effizienter und robuster. Die Lebensdauer des metallischen Dichtrings 5 ist somit deutlich höher als ein elastisch ausgeführter Dichtring nach dem Stand der Technik.Due to the partially spherical
Im Folgenden wird die Kreislinie, auf der die Kolbenbohrungsachsen 30 um die Zylindertrommelachse verteilt sind, als Kolbenbohrungsteilkreis und der Durchmesser des Kolbenbohrungsteilkreis als Kolbenbohrungsteilkreisdurchmesser Dz bezeichnet. Die Kolbenfüße 22 und insbesondere die Kolbenlängsachsen 20 der einzelnen Kolben 2 schneiden die Kolbenplatte 8 senkrecht und sind auf einer Kreislinie, die im Folgenden als Kolbenteilkreis bezeichnet wird, um die Kolbenplattenachse 80 gleichmäßig verteilt. Der Durchmesser des Kolbenteilkreises wird im Folgenden als Kolbenteilkreisdurchmesser DK bezeichnet.In the following, the circular line on which the piston bore axes 30 are distributed around the cylinder drum axis is referred to as the piston bore pitch circle and the diameter of the piston bore pitch circle is referred to as the piston bore pitch circle diameter D z . The
In einer Ausführungsvariante sind die Kolben 2 so auf der Kolbenplatte 8 angeordnet, dass in der neutralen Lage die Längsachsen 20 der Kolben 2 und die Längsachsen 30 einer jeweiligen Kolbenbohrung 3 zusammenfallen. Somit sind Kolbenteilkreisdurchmesser DK und Kolbenbohrungsteilkreisdurchmesser Dz identisch. Wenn der Abstand R der Kolbenbohrungsachsen 20 zur Zylindertrommelachse 70 wie eingangs erwähnt 45mm beträgt, ergibt sich der Kolbenbohrungsteilkreisdurchmesser DZ zu DZ = 2R = 90mm und der Kolbenteilkreisdurchmesser DK ebenfalls zu 90mm.In one embodiment, the
Es hat sich jedoch gezeigt, dass der Kolbenteilkreisdurchmesser DK insbesondere auch größer als der Kolbenbohrungsteilkreisdurchmesser Dz gewählt werden kann. In einer zweiten Ausführungsvariante ist der Kolbenteilkreisdurchmesser DK gleich 90,4 mm gewählt. Ein Kolbenteilkreisdurchmesser DK welcher größer ist als der Kolbenbohrungsteilkreisdurchmesser Dz hat den Vorteil, dass die Floating Piston Maschine kompakter gebaut werden kann, weil sich bei gleichem Spiel δQ ein größerer Schwenkwinkel α erzielen lässt. Ein gegenüber dem Kolbenbohrungsteilkreisdurchmesser Dz vergrößerter Kolbenteilkreisdurchmesser DK wird ermöglicht durch die quer zur Kolbenachse 20 verschiebbar gelagerten Dichtringe 5 die den größeren Kolbenachsenabstand DK durch ein Verschieben der Dichtringe 5 in der Dichtringaufnahme 4 ausgleichen.However, it has been shown that the piston pitch circle diameter D K can also be chosen to be larger than the piston bore pitch circle diameter D z . In a second design variant, the piston pitch circle diameter D K is chosen to be 90.4 mm. A piston pitch circle diameter D K which is larger than the piston bore pitch circle diameter D z has the advantage that the floating piston machine can be built more compactly because a larger swivel angle α can be achieved with the same clearance δ Q. A piston pitch circle diameter D K which is larger than the piston bore pitch circle diameter D z is made possible by the sealing rings 5 which are mounted so as to be displaceable transversely to the
In einer weiteren in
Wenn ein Kolbenraum 31 der Zylindertrommel 7 über die Verbindungsbohrungen 33 mit der Hochdruckseite verbunden ist, wirkt dieser Hochdruck (bis zu 350 bar oder mehr) auf die Innenwand 32 der Bohrung der Zylindertrommel 7, die den Kolbenraum 31 bildet. Es hat sich gezeigt, dass diese innere Druckkraft, trotz der massiven Ausführung der Zylindertrommel 7, zu einer Aufweitung bzw. einer Verformung der entsprechenden Kolbenbohrung 3 führen kann. Eine solche einseitige Aufweitung würde zu einer Vergrößerung des Spaltes 34 zwischen Kolbenbohrung 3 und Dichtring 5 führen. Um diesen Nachteil auszugleichen schlägt die Erfindung vor, den Dichtring 5 von seiner Geometrie so zu gestalten, dass wenn die Innenseite des Dichtrings 5 mit radialen Druckkräften beaufschlagt ist, der Dichtring sich entsprechend aufweiten kann und somit der Spalt 34 zwischen Kolbenbohrung 3 und Dichtring 5 über die gesamte Bandbreite des Betriebsdrucks idealerweise konstant bleibt. Durch das Spiel δQ sowie δH findet der Druck seinen Weg in den Bereich hinter den Dichtring bzw. in den Raum zwischen Zapfen 23 und Innendurchmesser Dichtring 5. Da der Arbeitsdruck im Kolbenraum 31 in gleicher Höhe auf die innere Geometrie des Dichtungsringes 5 wirkt, wird der Dichtring 5 bei entsprechend angepasster Wandstärke beziehungsweise angepasstem Querschnittprofil sich entsprechend mit aufweiten.In another in
If a
In einer ersten Variante kann dies dadurch erreicht werden, dass der Dichtring 5 an seiner Innenseite 53 eine wulstartige Vertiefung 54 aufweist. Diese wulstartige Vertiefung 54 kann beispielsweise so ausgeführt sein, dass der Dichtring 5 über seinen vertikalen Verlauf h eine annähernd gleiche horizontale Dicke z aufweist. Durch diese gleichförmig horizontale Dicke z kann der Dichtring bewusst geschwächt werden, um so einem auf die Innenseite des Dichtrings wirkenden Druck durch Aufweitung, also Vergrößerung seines Außendurchmessers da nachzugeben.In a first variant, this can be achieved by providing the
In einem Beispiel des Dichtrings,, das nicht um einen Teil der Erfindung, sondern um einen Stand der Technik handelt, der das Verständnis der Erfindung erleichtert, wie sie in
In einer weiteren in
In einem Beispiel" das nicht um einen Teil der Erfindung, sondern um einen Stand der Technik handelt, der das Verständnis der Erfindung erleichtert, welches in
Da die Aufweitung der Kolbeninnwand 32 von vielen Faktoren abhängig ist, wie beispielsweise dem verwendeten Material für die Zylindertrommel 7, dem Kolbenbohrungsdurchmesser d, den Wandstärken zwischen zwei benachbarten Kolbenbohrungen 3 um die wichtigsten zu nennen, kann hier keine allgemeine Formel angegeben werden. Bei Laborversuchen hat sich jedoch gezeigt, dass bei Betriebsdrücken von 350 bar die Aufweitung der Kolbenbohrung 3 bei der im Ausführungsbeispiel gewählten Dimensionierung zwischen 10 µm und 30 µm liegen kann, in speziellen Einzelfällen auch darüber oder darunter. Eine Methode die Querschnittsdicke z des Dichtrings zu bestimmen, besteht daher darin, zunächst in einem ersten Schritt die Verformung der Kolbenbohrung 3 bei dem höchsten vorgesehenen Betriebsdruck zu bestimmen. In einer Versuchsreihe werden Dichtringe 5 mit unterschiedlichen Querschnittsdicken z dem höchsten vorgesehenen Betriebsdruck ausgesetzt und die dadurch ausgelöste Durchmesserzunahme Δd des Dichtrings 5 bestimmt. Es wird dann die Dichtringgeometrie ausgewählt, das heißt in diesem Fall der Dichtring 5 mit der Querschnittsdicke z bei dem die Differenz Δd zwischen gemessenen Kolbeninnenwanddurchmesser d+ Δd unter Belastung mit dem höchsten Betriebsdruck und Dichtringdurchmesser di+ Δ di unter Belastung mit dem höchsten Betriebsdruck dem gewählten Spiel zwischen Kolbeninnwand 32 und Dichtring 5 entspricht.Since the expansion of the piston
Alternativ oder zusätzlich zu einem Druckausgleich über das vertikale und das horizontale Spiel des Dichtrings 5 in der Dichtringaufnahme 4, kann ein Druckausgleich zwischen Kolbeninnenraum 31 und dem Inneren 57 des Dichtrings 5 auch durch ein oder mehrere Durchbrüche im Deckel 6 erzielt werden.
Claims (15)
- An axial piston machine (1), in which pistons (2) in cylinders (3) execute a stroke movement, and in which the pistons (2) have a sealing ring seat (4) for a sealing ring (5), the sealing ring seat (4) being designed such that it permits a movement of the sealing ring (5) transversely to a longitudinal axis (20) of the piston (2),the sealing ring (5) being spherical at least in a region which effects a seal during the stroke movements on inner walls (32) of the cylinder (3), the radius of curvature of the sealing ring (5), which is spherical in certain regions, corresponding substantially to half the diameter (d) of the cylinder (3),the cross section of the sealing ring (5) being designed such that, at a high operating pressure, the deformation of the sealing ring (5) by the operating pressure largely compensates for a widening of the inner cylinder wall (32) by the operating pressure,characterized in thatthe central inner opening (51) of the sealing ring (5) has a circumferential bead-like recess (54), orthe central inner opening of the sealing ring (5) has a stepped profile (55, 56).
- The axial piston machine (1) according to claim 1,
characterized in that
the sealing ring (5) consists of a rigid material which is, in particular, resistant to wear. - The axial piston machine (1) according to either of the preceding claims,
characterized in that
the sealing ring seat (4) comprises a pin (23) and the sealing ring (5) has a central inner opening (51) corresponding to the pin (23), the inner diameter (di) of the sealing ring (5) is selected to be greater than the pin diameter (d2). - The axial piston machine (1) according to any of the preceding claims, characterized in that the piston (2) is designed such that pressure compensation between the piston interior (31) and the interior (57) of the sealing ring is made possible.
- The axial piston machine (1) according to claim 4, characterized in that a horizontal clearance (δQ) between the inner diameter of the sealing ring (5) and the pin (23) and a vertical clearance (δH) of the sealing ring (5) within the sealing ring seat (4) are selected to be at least great enough that they make the pressure compensation between the piston interior (31) and the interior (57) of the sealing ring (5) possible.
- The axial piston machine (1) according to claim 4, characterized in that the pressure compensation between the piston interior (31) and the interior (57) of the sealing ring (5) is optionally made possible by one or more openings in the cover (6) and/or one or more pressure compensation bores which extend from the upper side of the pin (23) into the interior of the sealing ring (5).
- The axial piston machine (1) according to any of claims 1 to 6,
characterized in that
the sealing ring (5) is secured in the sealing ring seat (4) against a movement along the longitudinal axis (20) of the piston (2) by a cover (6). - The axial piston machine (1) according to claim 7,
characterized in that
the cover (6) is attached to the piston (2) by means of a screw or by clamping or by pressing. - The axial piston machine (1) according to any of claims 1 to 8,
characterized in that
the piston (2) is fastened to a piston plate (8) by one end (22). - The axial piston machine (1) according to any of claims 1 to 9,
characterized in that
the piston diameter in the region between the sealing ring seat (4) and the one end (22) tapers increasingly. - The axial piston machine (1) according to claim 10,
characterized in that
the piston (2) has the shape of a truncated cone in the region between the sealing ring seat (4) and the one end (22). - The axial piston machine (1) according to any of claims 1 to 11,in which the cylinders (3) are distributed over a cylinder barrel (7) about a cylinder barrel axis (70), and in which the pistons (20) are distributed over a piston plate (8) about a piston plate axis (80),characterized in thata rotation of the cylinder barrel (7) about the cylinder axis (70) and a rotation of the piston plate (8) about the piston plate axis (80) are synchronized with each other by synchronization means, the synchronization not taking place by a torque transmission via the pistons (2).
- The axial piston machine (1) according to any of claims 1 to 12, in which the piston bore axes (30) of the cylinders (3) are distributed on a first circular line about a cylinder barrel axis (70), and in which the piston longitudinal axes (20) are distributed on a second circular line about a piston plate axis 80,
characterized in that
the diameter (DK) of the second circular line is selected to be greater than the diameter (Dz) of the first circular line. - A method for producing a sealing ring according to any of claims 1 to 13,
characterized in that
a solid sphere is selected as the starting product, and in that two spherical segments are removed parallel to a great circle of this solid sphere, as a result of which a spherical disk is obtained. - The method for producing a sealing ring according to claim 14,
characterized in that
a central bore is made through the axis of rotation of the spherical disk.
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