WO2005085635A1 - Axialkolbenmaschine - Google Patents

Abstract

Offenbart ist eine Axialkolbenmaschine mit zwei in einem Gehäuse geführten Zylindertrommeln, die jeweils um eine Trommelachse drehbar sind und die jeweils an einer zu einer Wellendrehachse angestellten Schrägfläche abgestützt sind. Erfindungsgemäß sind diese Schrägflächen im Bereich zwischen den beiden Zylindertrommeln angeordnet und die Kanäle zur Druckmittelzufuhr und Druckmittelabfuhr münden in diesen beiden Schrägflächen, d.h. Druckmittelzufuhr und -abfuhr erfolgen mittig.

Description

Beschreibung

Axialkolbenmaschine

Die Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Derartige, beispielsweise aus der WO 03/058034 AI bekannte Axialkolbenmaschinen haben zwei Zylindertrommeln, in denen jeweils eine Vielzahl von Zylindern ausgebildet ist. Die beiden Zylindertrommeln werden von einer Welle durchsetzt, die drehfest mit einer Vielzahl von Kolben verbunden ist, die mit den Zylindern der Zylindertrommeln jeweils einen Druckraum begrenzen. Die Zylindertrommeln sind jeweils an Schrägflächen abgestützt, deren Neigung so gewählt ist, dass die Drehachse der Zylindertrommeln zur Wellenachse angestellt ist. Die die Zylindertrommeln abstützenden Schrägflächen drehen nicht mit der Welle oder der Zylindertrommel mit, so dass die Kolben mit Bezug zur Ebene der die Zylindertrommeln abstützenden Schrägflächen eine elliptische Bewegungsbahn durchfahren. Bei den bekannten Lösungen liegen die Zylindertrommeln mit den Kolben zwischen den beiden Schrägflächen, wobei diese jeweils an Steuerscheiben ausgebildet sind, die am Gehäuse der Axialkolbenpumpe abgestützt sind und über die die Druckmittelzufuhr und -abfuhr erfolgt. Bei der Erprobung der bekannten Axialkolbenmaschinen zeigte es sich, dass im Betrieb der Axialkolbenmaschine die Geräuschemission relativ groß ist, so dass Dämmmaßnahmen vorgesehen werden müssen. Ein weiterer Nachteil der bekannten Lösungen besteht darin, dass die Druckmittelzufuhr über die beiden außenliegenden Steuerscheiben eine vergleichsweise komplexe Ausgestaltung der Druck- und Tankkanäle erfordert.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Axialkolbenmaschine zu schaffen, die vergleichsweise einfach aufgebaut ist und bei der die

Geräuschemission gegenüber herkömmlichen Lösungen verringert ist. Diese Aufgabe wird durch eine Axialkolbenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Erfindungsgemäß sind zwei Zylindertrommeln der Axialkolbenmaschine an jeweils einer Schrägfläche ausgebildet, wobei diese Schrägflächen mittig, d.h. im Bereich zwischen den beiden Zylindertrommeln angeordnet sind und ein Druckkanal und ein Tankkanal in diesen Schrägflächen münden. Durch diese zentrale Anordnung der Schrägflächen kann die Kanalführung gegenüber den herkömmlichen Lösungen ganz erheblich vereinfacht werden, so dass die Kosten zur Herstellung der Axialkolbenmaschine vergleichsweise gering sind. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass sich durch die zentrale Anordnung die auf die beiden Schrägflächen wirkenden Druckkräfte gegenseitig im wesentlichen aufheben, so dass die über die Schrägflächen in das Gehäuse eingeleiteten Druckkräfte sehr gering sind und entsprechend auch die Geräuschemission abgesenkt wird, die bei den herkömmlichen Lösungen durch die über die außen liegenden SteuerScheiben in das Gehäuse mit seinen großen geräuschabstrahlenden Flächen eingeleiteten Kräfte ein nicht akzeptables Maß annehmen können.

Bei einer besonders kompakt aufgebauten Variante sind die beiden Stirnflächen an einer Steuerscheibe ausgebildet, die zentral in das Gehäuse eingesetzt ist und die von einer die Kolben tragenden Welle durchsetzt ist .

Zur weiteren Absenkung der Geräuschemission kann zwischen Steuerscheibe und Gehäuse eine Dämmschicht vorgesehen werden. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel wird es bevorzugt, wenn die Steuerscheibe eine Verdrehsicherung aufweist, die beispielsweise durch eine Abflachung ausgebildet ist.

Um eine Relativverdrehung der elastisch abgestützten Steuerscheibe innerhalb des Gehäuses zu verhindern, wird es bei dieser Lösung bevorzugt, die zentralen Druckanschlüsse so anzuordnen und auszubilden, dass die über die Druckanschlüsse, insbesondere den Druckanschluss auf die Steuerscheibe wirkenden Kräfte so groß sind, dass die durch die Rotation der Zylindertrommel auf die Steuerscheibe übertragenen Drehmomente im wesentlichen kompensiert sind.

In dem Fall, in dem die Axialkolbenmaschine als Pumpe oder Hydromotor betrieben werden soll, hat die Steuerscheibe zwei Steuernieren, von denen- eine einem Druckanschluss und die andere einem Tankanschluss zugeordnet ist. Bei einer Variante der Erfindung wird es bevorzugt, wenn die mit dem Druck- und Tankanschluss verbundenen Kanäle tangential in die Steuernieren einmünden. Prinzipiell kann die Axialkolbenmaschine auch als Hydrotransformator betrieben werden. Dies setzt allerdings voraus, dass die Steuerscheibe drehbar im Gehäuse aufgenommen ist und dass sie drei Steuernieren aufweist . Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 einen schematisierten Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Axialkolbenmaschine;

Figur 2 eine vereinfachte Schnittdarstellung der Axialkolbenmaschine aus Figur 1 ;

Figur 3 eine vergrößerte Detaildarstellung der Axialkolbenmaschine aus Figur 1 und

Figuren 4, 5 den Figuren 1 und 2 entsprechende Darstellungen eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Axialkolbenmaschine .

In Figur 1 ist ein vereinfachter Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Axialkolbenmaschine 1, beispielsweise einer Hydropumpe dargestellt. Figur 2 zeigt einen geometrisch nicht exakten Schnitt entlang der strichpunktierten Vertikallinie y in Figur 1. Demgemäß hat die Axialkolbenmaschine 1 ein Gehäuse 2, in dem eine

Wellenbohrung 4 ausgebildet ist. In dieser ist eine Welle

6 über zwei Wellenlager 8, 10 abgestützt. Diese Welle 6 (Antriebswelle bei einer Pumpe) trägt zwei Zylindertrommeln 12, 14, deren Drehachsen ZI und Z2 schräg zur Drehachse X der Welle 6 angestellt sind.

Die beiden schräg zueinander angestellten

Zylindertrommeln 12, 14 sind an einer mittig (Ansicht nach Figur 1) im Gehäuse 2 aufgenommenen Steuerscheibe 16 abgestützt. Die Stirnflächen dieser Steuerscheibe 16 sind durch zwei Schrägflächen 18, 20 gebildet. Gemäß Figur 1 sind diese Schrägflächen 18, 20 derart zueinander angestellt, dass sich die Steuerscheibe 16 von dem radial oben liegenden Bereich des Gehäuses 2 nach unten hin konisch verjüngt.

Jede Zylindertrommel 12, 14 hat eine Vielzahl von Zylindern 22 bzw. 24, in die jeweils ein Kolben 26, 28 eintaucht. Die den Zylindertrommeln 12, 14 zugeordneten Kolben 26 bzw. 28 sind jeweils achsparallel zur Wellenachse X angeordnet und an einem Flansch 30, 32 befestigt, der einstückig mit der Welle 6 ausgebildet oder auf diese aufgesetzt ist. Die Kolben 26, 28 begrenzen mit den Zylindern 22, 24 jeweils einen Druckraum 34, 36, der - wie im Folgenden näher beschrieben - mit einem Druckanschluss P oder einem Tankanschluss T verbindbar ist . In der Schnittdarstellung in Figur 2 sind die beiden Anschlüsse T, P am Zylindergehäuse 2 in der die Mittelachse Y enthaltenden Mittelebene angeordnet. Die beiden Anschlüsse P, T sind über einen Tankkanal 38 bzw. einem Druckkanal 40 jeweils mit einer Steuerniere (Tanksteuerniere 42 und Drucksteuerniere 44) verbunden. Gemäß Figur 2 münden die beiden Kanäle 38, 40 jeweils tangential in der zugeordneten Steuerniere 42 bzw. 44. Letztere umgreifen die Welle 6 abschnittsweise, so dass zwischen ihren in Figur 2 oben liegenden Endabschnitten und ihren in Figur 2 unten liegenden Endabschnitten jeweils ein Steg 46, 48 der Steuerscheibe 16 verbleibt. Die beiden Steuernieren 42, 44 münden jeweils in den beiden Schrägflächen 18, 20.

Wie insbesondere aus Figur 1 hervorgeht, hat die

Axialkolbenmaschine 1 einen bezüglich der Achse Y symmetrischen Aufbau, wobei mittig die Steuerscheibe 16 angeordnet ist, an deren Schrägflächen 18, 20 die beiden

Zylindertrommeln 12, 14 abgestützt sind. Diese Zylindertrommeln wirken mit den Kolben 26, 28 zusammen, die über den Flansch 30 bzw. 32 drehfest mit der Welle 6 verbunden sind. Da der Aufbau der beiden Zylindertrommeln 12, 14 identisch ist, werden konstruktive Details im Folgenden anhand der vergrößerten Darstellung gemäß Figur 3 erläutert, die die Zylindertrommel 14 zeigt. Demgemäß hat diese eine Trommelplatte 50, die mit ihrer in Figur 3 linken Stirnfläche 52 auf der Schrägfläche 20 der Steuerscheibe 16 gleitend abgestützt ist. Die Trommelplatte 50 hat eine Befestigungsnabe 54, die über ein Pendellager 56 oder ähnliches an einem balligen, d.h. konvex gekrümmten Lagerabschnitt 59 der Welle 6 abgestützt ist. Dieses Pendellager 56 ermöglicht die Schräganstellung der Achse Z2 der Drehachse der Zylindertrommel 14 gegenüber der Wellenachse X. Auf einer innen von der Befestigungsnabe 54 begrenzten Ringstirnfläche 58 der Trommelplatte 50 ist ein ringförmiger Trommelkörper 60 abgestützt, an dem die Zylinder 24 der Zylindertrommel 14 ausgebildet sind. Dieser Trommelkörper 60 kann aus einer Vielzahl von Einzelelementen zusammengesetzt werden. Bei der aus der WO 03/058034 AI bekannten Lösung ist dieser Trommelkörper 60 beispielsweise aus einer Vielzahl von Zylinderhülsen gebildet, die über einen Haltering miteinander verbunden sind. Die Zylinderhülsen können auch über Federvorspannung und ein Gelenk an der Trommelplatte 50 abgestützt werden. Prinzipiell kann der Trommelkörper 60 auch einstückig ausgebildet werden.

Wie in Figur 3 angedeutet, liegt der Trommelkörper 60 oder dessen einzelne, die Zylinder 24 ausbildenden

Elemente nicht flächig- an der Ringstirnfläche 58 an, sondern nur über einen durch einen Vorsprung 62 gebildeten Anlageabschnitt. Wie vorstehend erwähnt, sind im Trommelkörper 60 eine Vielzahl von Zylindern 24 ausgebildet, in die die Endabschnitte der Kolben 28 eintauchen, so dass durch die Zylinder 24 und die Kolben 28 jeweils ein Druckraum 24, 36 begrenzt ist. Der in Figur 3 unten liegende Druckraum 36 hat das Maximalvolumen (Kolben in seinem äussen Totpunkt, während in der in Figur 3 oben dargestellten Relativposition zwischen Kolben 28 und Zylinder 24 der Druckraum 36 sein minimales Volumen aufweist (Kolben in seinem inneren Totpunkt) .

Die Druckmittelzufuhr in diese Druckräume 36 der Zylinder 24 erfolgt über Anschlussbuchsen 62, die den Boden der Zylinderräume 24 durchsetzen und die mit einem Radialvorsprung 64 an der Innenstirnfläche des jeweiligen Zylinders 24 des Trommelkörpers 60 gleitend abgestützt sind. Der vom Radialvorsprung 64 entfernte Endabschnitt der Anschlussbuchse 62 ist in eine entsprechend ausgebildete Aufnahme 66 der Trommelplatte 50 eingesetzt. In dieser Aufnahme 66 mündet ein Anschlusskanal 68, der je nach Drehposition der Zylindertrommel 14 mit der Drucksteuerniere 44 oder der Tanksteuerniere 42 verbindbar ist.

Jeder Kolben 28 hat einen Befestigungsabschnitt 70, über den er im Flansch 32 der Welle 6 gelagert ist. Im Anschluss an den Befestigungsabschnitt 70 ist der Kolben 28 radial zurückgesetzt und geht dann in einen konischen Abschnitt 72 über, durch den der Kolben 28 bis zu seinem Maximalquerschnitt erweitert ist. Dieser Maximalquerschnitt ist in der Figur 3 mit dem Bezugszeichen 74 versehen. Im Anschluss an diesen maximalen Querschnitt 74 ist der Kolben dann wieder etwas verjüngt. Diese taillierte Form der Kolben 28 ist erforderlich, dass diese im inneren Totpunkt (Fig. 3 oben) nicht mit den Zylinderwandungen kollidieren. Gemäß Figur 3 liegen die Kolben 28 entlang ihres maximalen Querschnitts an den Innenumfangsflachen der Zylinder 24 an. Zur Verbesserung der Abdichtung kann in diesem Anlagebereich am Außenumfang der Kolben 28 jeweils ein Kolbenring vorgesehen werden.

Beim Antrieb der Welle 6 drehen die Kolben 26, 28 um die Wellenachse X, während die beiden Zylindertrommeln 12, 14 um ihre Achse ZI bzw. Z2 drehen. Während dieser Drehbewegung sind die Zylindertrommeln an der mittigen Steuerscheibe 16 abgestützt. Durch die Schräganstellung der Zylindertrommeln 12, 14 wird der in Figur 3 oben liegende Druckraum bei der weiteren Drehung vergrößert (Ansaugen) , während sich der unten liegende Druckraum 36 verkleinert (Druckaufbau) . Die Steuerscheibe 16 ist so angeordnet, dass die Tankniere 42 mit den sich vergrößernden Druckräumen und die Drucksteuerniere 44 mit den sich verkleinernden Druckräumen verbunden ist. Im Bereich der Totpunkte (Figur 3) ist die Verbindung zu den beiden Anschlüssen P, T über die Stege 46, 48 abgesperrt, so dass ein Umschalten zwischen Druckanschluss und Tankanschluss und umgekehrt erfolgen kann. Aufgrund der Schräganstellung der Zylindertrommeln 12, 14 durchlaufen die Kolben 26, 28 mit Bezug zu den zugeordneten Schrägflächen 18, 20 eine elliptische Umlaufbahn. Der Trommelkörper 60 ist dabei so ausgebildet, dass die die Zylinder ausbildenden Elemente etwas entlang der Ringstirnfläche 58 abgleiten können, um diese Relativbewegungen auszugleichen.

Der wesentliche Unterschied zwischen der erfindungsgemäßen Lösung und den eingangs beschriebenen bekannten Lösungen besteht darin, dass die

Druckmittelzufuhr mittig über die Steuerscheibe 16 erfolgt und dass durch die symmetrische mittige Ausgestaltung der Steuerscheibe 16, die über die beiden Zylindertrommeln 12, 14 übertragenen Druckkräfte sich weitestgehend aufheben. Die auf die Kolben 26, 28 wirkenden Druckkräfte werden über die Flansche 30, 32 in die Welle 6 eingeleitet, d.h. die Druckkräfte werden nicht über das Gehäuse mit seinen großen geräuschabstrahlenden Flächen geführt. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die mittig gelegenen Anschlüsse die Druckmittelkanäle sehr einfach und auf engsten Raum angeordnet werden können, so dass der Aufbau der Axialkolbenmaschine gegenüber den bekannten Lösungen wesentlich vereinfacht ist.

Die Geräuschabstrahlung während des Betriebs der Axialkolbenmaschine lässt sich mit dem anhand der Figuren 4 und 5 erläuterten Ausführungsbeispiel noch weiter verbessern.

Das in den Figuren 4 und 5 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel im Wesentlichen lediglich durch die Ausgestaltung der Steuerscheibe 16 und die Kanalführung in der Steuerscheibe 16. Der Aufbau der Zylindertrommel 12, 14 und der Welle 6 ist identisch zum vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel, so dass im Folgenden nur auf die Unterschiede eingegangen wird. Bei dem in den Figuren 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Steuerscheibe 16 nicht direkt im Gehäuse 2 befestigt oder einstückig mit diesem ausgebildet, sondern ist als gesondertes Bauteil ausgeführt, wobei im montierten Zustand zwischen Gehäuse 2 und Steuerscheibe 16 eine Dämmschicht ausgebildet ist. Diese kann beispielsweise aus einem elastischen Kunststoffmaterial gefertigt sein, das schalldämmende Eigenschaften aufweist . Zur Verdrehsicherung der Steuerscheibe 16 ist diese mit einer Abflachung 78 versehen, eine Aufnahme 80 des Gehäuses 2 ist entsprechend ausgebildet. Die elastische Dämmschicht 76 ist in diese Aufnahme 80 eingesetzt und umgreift den Außenumfang der Steuerscheibe 16. Durch diese Entkopplung der Steuerscheibe 16 vom Gehäuse 2 lassen sich die Geräuschemissionen zwar weiter verringern, es kann jedoch bei ungünstigen Betriebszuständen trotz der Abflachung durch die Elastitzität der Dämmschicht 76 zu einer Relativverdrehung zwischen der Steuerscheibe 16 und dem Gehäuse 2 kommen. Um dies zu verhindern, werden die Anschlüsse T, P so gelegt, dass die über die beiden Anschlüsse T, P (insbesondere P) auf die Steuerscheibe 16 wirkenden Druckkräfte dieses Drehmoment kompensieren können. D.h. der Achsabstand a und die Querschnittsfläche des Druckkanals 40 wird beispielsweise so gewählt, dass die über das Druckmittel am Steueranschluss P auf die Steuerscheibe 16 übertragene Druckkraft FH ein Drehmoment (FH x a) erzeugt, das die während des Betriebs auf die Steuerscheibe 16 wirkende Radialkraft und das daraus resultierende Drehmoment kompensiert. Selbstverständlich können auch andere Maßnahmen zur Drehmomentabstützung vorgesehen werden.

Offenbart ist eine Axialkolbenmaschine mit zwei in einem Gehäuse geführten Zylindertrommeln, die jeweils um eine Trommelachse drehbar sind und die jeweils an einer zu einer Wellendrehachse angestellten Schrägfläche abgestützt sind. Erfindungsgemäß sind diese Schrägflächen im Bereich zwischen den beiden Zylindertrommeln angeordnet und die Kanäle zur Druckmittelzufuhr und Druckmittelabfuhr münden in diesen beiden Schrägflächen, d.h. Druckmittelzufuhr und -abfuhr erfolgen mittig. Bezugszeichenliste :

1 Axialkolbenmaschine

2 Gehäuse

4 Wellenbohrung

6 Welle

8 Wellenlager

10 Wellenlager

12 Zylindertrommel

14 Zylindertrommel

16 Steuerscheibe

18 Schrägfläche

20 Schrägfläche

22 Zylinder

24 Zylinder

26 Kolben

28 Kolben

30 Flansch

32 Flansch

34 Druckraum

36 Druckraum

38 Tankkanal

40 Druckkanal

42 Tanksteuerniere

44 Drucksteuerniere

46 Steg

48 Steg

50 Trommelplatte

52 Stirnfläche

54 Befestigungsnabe

56 Pendelachse

58 Ringstirnfläche

59 Lagerabschnitt

60 Trommelkörper

62 Anschussbuchse

64 Radialvorsprung Aufnahme Anschlusskanal Befestigungsabschnitt konischer Abschnitt maximaler Querschnitt Dämmschicht Abflachung Aufnahme

Claims

Patentansprüche

1. Axialkolbenmaschine mit zwei in einem Gehäuse (2) gelagerten Zylindertrommeln (12, 14), die jeweils um eine Trommelachse (ZI, Z2) drehbar und an einer Schrägfläche (18, 20) abgestützt sind, wobei jeder Zylindertrommel (12, 14) Kolben (26, 28) zugeordnet sind, die um eine zu den Trommelachsen (ZI, Z2) angestellte Wellenachse (X) drehbar sind, wobei durch Zylinder (22, 24) der Zylindertrommeln (12, 14) und die Kolben (26, 28) Druckräume (34, 36) begrenzt sind, die über Druck- und Tankkanäle (38, 42; 40, 44; 68) mit einem Druck- bzw. einem Tankanschluss (P, T) des Gehäuses (2) verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrägflächen (18, 20) im Bereich zwischen den beiden Zylindertrommeln (12, 14) angeordnet sind und dass die Kanäle (38, 42; 40, 44) in den Schrägflächen (18, 20) münden.

Axialkolbenmaschine nach Patentanspruch 1, wobei die Schrägflächen (18, 20) an Stirnflächen einer Steuerscheibe (16) ausgebildet sind, die von einer An- oder Abtriebswelle (6) durchsetzt ist.

Axialkolbenmaschine nach Patentanspruch 2, wobei zwischen Steuerscheibe (16) und Gehäuse (2) eine Dämmschicht (76) ausgebildet ist.

4. /Axialkolbenmaschine nach Patentanspruch 2 oder 3, wobei die Steuerscheibe (16) eine Abflachung (78) als Verdrehsicherung aufweist.

5. Axialkolbenmaschine nach Patentanspruch 4, wobei ein Achsabstand (a) einer Mittelachse des Druckanschlusses (P) und die Querschnittsfläche des Druckkanals (40) im Übergangsbereich zwischen dem Gehäuse (2) und der Steuerscheibe (16) so gewählt sind, dass die auf die Steuerscheibe (16) wirkende Radialkraft und das daraus resultierende Drehmoment durch die über den Druckanschluss (P) auf die Steuerscheibe (16) wirkenden Druckkräfte kompensierbar ist .

6. Axialkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Steuerscheibe (16) auf einem gemeinsamen Teilkreis liegende Steuernieren (42, 44) hat, in die der Druck- bzw. Tankanschluss (P, T) einmünden.

7. Axialkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei diese als Hydropumpe oder Hydromotor betrieben ist .