WO2010083861A1 - Axialkolbenmaschine in schrägachsenbauweise - Google Patents

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WO2010083861A1
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Raimund Roth
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Robert Bosch Gmbh
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    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
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    • F01B3/0082—Details
    • F01B3/0085—Pistons
    • F01B3/0088—Piston shoe retaining means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
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    • F04B1/12—Multi-cylinder machines or pumps characterised by number or arrangement of cylinders having cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis
    • F04B1/122—Details or component parts, e.g. valves, sealings or lubrication means
    • F04B1/124—Pistons
    • F04B1/126—Piston shoe retaining means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J1/00—Pistons; Trunk pistons; Plungers
    • F16J1/10—Connection to driving members
    • F16J1/14—Connection to driving members with connecting-rods, i.e. pivotal connections
    • F16J1/22—Connection to driving members with connecting-rods, i.e. pivotal connections with universal joint, e.g. ball-joint

Definitions

  • the invention is based on an axial piston machine in bent-axis design, having the features of the preamble of claim 1.
  • Known axial piston machines of this type have an engine, which comprises as essential components a rotatably mounted drive shaft with a molded drive flange, a cylinder drum guided in axially extending cylinder bores, longitudinally displaceable piston and a control body.
  • the longitudinally displaceably guided in the cylinder bores pistons each have at the free end after the formation of a neck on a spherical piston head which is rotatably received in a ball socket formed in the drive flange.
  • a return pulley is provided, which engages behind the piston head and thus prevents it from sliding out of the spherical shells.
  • the manufacture and installation of the return pulley is expensive.
  • the retraction hole walls must be designed such that friction and wear are minimized during functional operation.
  • For releasably securing the retraction disc further holes in the disc for receiving screws are required. Additional threaded holes in the drive plate to accommodate the mounting screws are necessary.
  • the spherical piston heads rotatably holding bearing metal rings.
  • the DT 20 61 906 or the DT 24 02 066 A1 each show such a solution.
  • the spherical shell is provided here with an extension into which a bearing metal ring is pressed.
  • the invention has for its object to further develop an axial piston oblique-axis design with the features of the preamble of claim 1 so that a pressure relief of the ball head is guaranteed in all cases.
  • This object is achieved for an axial piston machine in bent-axis design with the features of the preamble by an additional equipment with the features of the characterizing part of claim 1.
  • at least one groove is provided on the inner surface of the retraction rings, which has a course connecting the annular end sides together.
  • the introduction of a groove in a retraction ring is particularly simple and fast.
  • Such configured return ring allows during the Um Kunststoffvorganges a pressure relief to the leakage oil space.
  • the so-called relief groove leads to an improvement of the hydrostatic discharge and to a reduced friction effect.
  • the groove has a spiral shape.
  • the groove can be screwed in with a simple tool directly when creating the ring. The tool is fixed and the ring is unscrewed. This results in a simple and cost-effective spiral groove.
  • Other ways of the course of the relief groove are conceivable, for example, one or more grooves have an axial course.
  • the inner diameter of the ring preferably widens radially at the piston head-side end, so that a pivoting of the piston against the drive flange is not limited by the ring.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through an engine of an axial piston machine according to the invention
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through a spherical piston head corresponding to a detail A of Figure 1
  • 3 shows a longitudinal section through a Triebflanschabterrorism from the front side of the drive flange up to a radial extension of two spherical shells
  • Fig. 4 shows a longitudinal section through a retraction ring.
  • engine 1 of an axial piston oblique-axis construction comprises as essential components a rotatably mounted drive shaft 2 with a molded drive flange 3, a cylinder drum 4 guided in axially extending cylinder bores 5, longitudinally displaceable piston 6 and a control body 7.
  • the cylinder drum 4 arranged between the drive flange 3 and the control body 7 and is supported on the control body side with a concave bearing surface 8 on the facing convex control surface 9 of the control body 7 from.
  • the cylinder drum 4 is rotatable about a centering pin 10 on the drive flange 3 and - in particular for adjusting the working stroke of the piston 6 - pivotally mounted.
  • the centering pin 10 protrudes into a central cylinder bore 11 and is pressed by a compression spring 12, which is arranged between the centering pin 10 and the cylinder drum 4, to the drive flange 3.
  • the longitudinally displaceably guided in the cylinder bores 5 piston 6 are designed conical.
  • FIG. 2 shows a detailed detail A from FIG. 1, which comprises a ball head 15 which is rotatably fixed in a ball socket 16 with a retraction ring 17.
  • the ball head 15 has a vertex 20 and an equatorial circuit 21.
  • the center point of the equatorial circle 21 corresponds to the center of the ball head 15.
  • the equatorial circle 21 encloses a 90 ° angle with the piston axis 22 and separates an upper hemisphere enclosing the vertex 23 from a lower hemisphere 24.
  • the ball shell 16 passes over the upper hemisphere 23 of the ball head 15 out.
  • the upper hemisphere 23 fits exactly into the ball socket 16.
  • the inner diameter of the ball socket 16 springs back radially and becomes larger as a result.
  • the shape of the spherical shell 16 from the radial recess 30 to an opening of the spherical shell 16 is shown in Fig. 3.
  • a cylindrical transition 31 connects the radial recess 30 with a second radial recess 32.
  • the retraction ring 17 has at the piston-side inner edge a bevel-shaped chamfer 40 at a 30 ° angle which has a depth of 5 mm.
  • the retraction ring has a v-shaped spiral groove 41, which makes it possible for the pressed-in helical groove 41 State resource from the inner, piston head side annular end face 42 to the outer, piston neck-side annular end face 43 can flow.
  • each piston head 15 has a pocket-shaped opening 25, from which a spiral groove 26 terminates in a circumferential annular groove 27 above the equatorial circle 21.
  • the pocket-shaped opening 25 in the apex 20 of the piston head 15 is connected via a throttle point 28 and a subsequent Kolben preparegangsbohrung 29 with a working space 18 in the cylinder bore 5 in connection PHg.
  • the ball shell 16 has a symmetrical to the longitudinal axis of the ball shell 16 pocket-shaped recess 35, the larger diameter than the diameter of the pocket-shaped opening 25 in the vertex 20 of the ball head 15th
  • the region corresponding to the swivel angle range of the axial piston machine of the concave spherical shell surface constitutes a bearing surface 45, at which the Ball head surface with a bearing counter surface as a defined relief surface 46 is supported by an emerging in a bearing gap 48 pressure field 49.
  • the relief surface 46 of a resulting hydrostatic bearing 47 is limited by the circumferential groove 27 on the upper hemisphere 23.
  • the pressure field 49 absorbs the piston force and thus prevents a metallic contact between the ball head 15 and the concave spherical shell surface 45.
  • the bearing gap 48 becomes smaller.
  • the inlet pressure rises until the pressure difference at the throttle 28 is almost zero, ie the inlet pressure corresponds approximately to the supply pressure.
  • the bearing 47 is hydrostatically relieved.
  • the bearing gap 48 becomes larger, the inlet pressure drops and approaches the supply pressure until the bearing 47 is hydrostatically relieved at approximately equal pressures.
  • the ball head 15 is pressed into the retraction ring 17 and operating means can flow via the spiral groove 41 in the retraction ring 17 in a leakage oil chamber 50.
  • the inlet pressure drops and at approximate pressure equilibrium, the ball bearing 47 is hydrostatically relieved.
  • the groove shape in the retraction ring is not limited to a spiral, but it is important that the ring end faces are connected via the groove.
  • the compound consists e.g. even with at least one axially extending groove.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine in Schrägachsenbauweise mit einer in einem Gehäuse drehbar gelagerten Triebwelle, die mit einem Triebflansch endet, der triebwellenabseitig eine Stirnfläche aufweist, in der Kugelschalen zur Aufnahme von Kolbenköpfen ausgebildet sind, in welchen die Kolbenköpfe mittels verformbaren Ringen in den Kugelschalen drehbar gehalten sind. Es stellt sich die Aufgabe, die Axialkolbenmaschine in Schrägachsenbauweise mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so weiterzuentwickeln, dass eine Druckentlastung des Kugelkopfes in allen Fällen gewährleistet ist. Dies wird dadurch erreicht, dass die Ringe an der Innenfläche mindestens eine Nut aufweisen, die einen die Ringstirnseiten miteinander verbindenden Verlauf hat.

Description

Beschreibung
Axialkolbenmaschine in Schrägachsenbauweise
Die Erfindung geht aus von einer Axialkolbenmaschine in Schrägachsenbauweise, die die Merkmale aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufweist.
Bekannte Axialkolbenmaschinen dieser Bauart besitzen ein Triebwerk, das als wesentliche Bauteile eine drehbar gelagerte Triebwelle mit einem angeformten Triebflansch, einer Zylindertrommel mit in axial verlaufenden Zylinderbohrungen geführten, längsverschiebbaren Kolben und einen Steuerkörper umfasst. Die in den Zylinderbohrungen längsverschiebbar geführten Kolben weisen je am freien Ende nach der Ausbildung eines Halses einen kugelförmigen Kolbenkopf auf, der in einer im Triebflansch ausgebildeten Kugelschale drehbeweglich aufgenommen ist. Für alle Kolbenköpfe ist eine Rückzugscheibe vorgesehen, die die Kolbenköp- fe hintergreift und somit daran hindert, aus den Kugelschalen herauszugleiten. Allerdings ist die Herstellung und Montage der Rückzugscheibe aufwendig. Bei der Herstellung müssen die Rückzuglochwände derart ausgeführt werden, dass während des Funktionsbetriebes Reibung und Verschleiß gering gehalten werden. Zur lösbaren Befestigung der Rückzugscheibe sind weitere Lochbohrungen in der Scheibe zur Aufnahme von Schrauben erforderlich. Zusätzliche Gewindelöcher in der Triebscheibe zur Aufnahme der Befestigungsschrauben sind notwendig. Um dem entgegenzuwirken, ist es bekannt, die Rückzugplatte durch einzelne, die kugelförmigen Kolbenköpfe drehbar haltende Lagermetallringe zu ersetzen. Die DT 20 61 906 oder die DT 24 02 066 A1 zeigen jeweils eine solche Lösung auf. Die Kugelschale ist hier mit einer Erweiterung vorgesehen, in die ein Lagermetallring eingedrückt ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Axialkolbenmaschine in Schrägachsenbauweise mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so weiterzuentwickeln, dass eine Druckentlastung des Kugelkopfes in allen Fällen gewährleistet ist. Diese Aufgabe wird für eine Axialkolbenmaschine in Schrägachsenbauweise mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff durch eine zusätzliche Ausstattung mit den Merkmalen aus dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Bei einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine in Schrägachsenbauweise ist an der Innenfläche der Rückzugsringe mindestens eine Nut vorgesehen, die einen die Ringstirnseiten miteinander verbindenden Verlauf hat. Das Einbringen einer Nut in einen Rückzugring erfolgt besonders einfach und schnell. Ein derart ausgestalteter Rückzugring ermöglicht während des Umsteuervorganges eine Druckentlastung zum Leckölraum. Die sogenannte Entlastungsnut führt zu einer Verbesserung der hydrostatischen Entlastung und zu einer reduzierten Reibwirkung.
Vorteilhafte Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine in Schrägachsenbauweise sind in den Unteransprüchen angegeben. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die Nut einen spiralförmigen Verlauf auf. Die Nut kann mit einem einfachen Werkzeug direkt bei der Erstellung des Ringes eingedreht werden. Das Werkzeug wird fixiert und der Ring wird herausgedreht. Dadurch entsteht auf einfache Weise und kostengünstig die spiralförmige Nut. Auch andere Möglichkeiten des Verlaufes der Entlastungsnut sind denkbar, beispielsweise können eine oder mehrere Nuten einen axialen Verlauf haben. Vorzugsweise erweitert sich der Innendurchmesser des Ringes am kolbenkopfsei- tigen Ende radial, sodass eine Verschwenkung der Kolben gegen den Triebflansch nicht durch den Ring begrenzt ist.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine in Schrägbauweise ist in den Zeichnungen dargestellt. Anhand der Figuren dieser Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert. Es zeigen Fig.1 einen Längsschnitt durch ein Triebwerk einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine,
Fig.2 einen Längsschnitt durch einen kugelförmigen Kolbenkopf entsprechend einem Detailausschnitt A aus Fig.1 , Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen Triebflanschabschnitt von der Stirnseite des Triebflansches bis zu einer radialen Erweiterung zweier Kugelschalen und Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen Rückzugring.
Das in Fig.1 dargestellte Triebwerk 1 einer Axialkolbenmaschine in Schrägachsenbauweise umfasst als wesentliche Bauteile eine drehbar gelagerte Triebwelle 2 mit einem angeformten Triebflansch 3, einer Zylindertrommel 4 mit in axial verlaufenden Zylinderbohrungen 5 geführten, längsverschiebbaren Kolben 6 und einen Steuerkörper 7. Die Zylindertrommel 4 ist zwischen dem Triebflansch 3 und dem Steuerkörper 7 angeordnet und stützt sich steuerkörperseitig mit einer konkaven Lagerfläche 8 an der ihr zugewandten, konvexen Steuerfläche 9 des Steuerkörpers 7 ab. Triebflanschseitig ist die Zylindertrommel 4 über einen Zentrierzapfen 10 am Triebflansch 3 drehbar und - insbesondere zur Einstellung des Arbeitshubes der Kolben 6 - verschwenkbar gelagert. Der Zentrierzapfen 10 ragt in eine zentrale Zylinderbohrung 11 hinein und wird durch eine Druckfeder 12, die zwischen dem Zentrierzapfen 10 und der Zylindertrommel 4 angeordnet ist, an den Triebflansch 3 gedrückt. Die in der Zylindertrommel 4 axial verlaufenden und gleichmäßig auf einem Teilkreis verteilten Zylinderbohrungen 5 münden über Kanäle 13 an der konkaven Lagerfläche 8 der Zy- lindertrommel 4 aus und verbinden bei Drehung der Trommel 4 die Zylinderbohrungen 5 über nicht dargestellte Steuernieren mit einem nicht dargestellten Druck- und Saugstutzen. Die in den Zylinderbohrungen 5 längsverschiebbar geführten Kolben 6 sind kegelförmig ausgeführt. Die zylindertrommelabseitigen Enden der Kolben 6 weisen je an ihrem freien Ende nach der Ausbildung eines Kolbenhalses 14 Kugelköpfe 15 auf, die in Kugelschalen 16, die im Triebflansch 3 ausgebildet sind, drehbeweglich aufgenommen sind und mittels Rückzugringen 17 fixiert sind. Fig. 2 zeigt einen Detailausschnitt A aus Fig.1 , der einen Kugelkopf 15, der in einer Kugelschale 16 mit einem Rückzugring 17 drehbeweglich fixiert ist, umfasst. Der Kugelkopf 15 weist einen Scheitel 20 und einen Äquatorkreis 21 auf. Der Mit- telpunkt des Äquatorkreises 21 entspricht dem Mittelpunkt des Kugelkopfes 15. Der Äquatorkreis 21 schließt mit der Kolbenachse 22 einen 90°-Winkel ein und trennt eine obere, den Scheitel einschließende Halbkugel 23 von einer unteren Halbkugel 24. Die Kugelschale 16 geht über die obere Halbkugel 23 des Kugel- kopfes 15 hinaus. Die obere Halbkugel 23 passt genau in die Kugelschale 16. Auf Höhe des Äquatorkreises 21 des Kugelkopfes 15 springt der Innendurchmesser der Kugelschale 16 radial zurück und wird dadurch größer. Die Form der Kugelschale 16 ab dem radialen Rücksprung 30 bis zu einer Öffnung der Kugelschale 16 ist in Fig. 3 dargestellt. Ein zylindrischer Übergang 31 verbindet den radialen Rücksprung 30 mit einem zweiten radialen Rücksprung 32. Ab diesem Rücksprung 32 weist die Kugelschale 16 zur Stirnseite des Triebflansches 3 hin einen kugelförmigen Verlauf mit erweitertem Innenradius 33 auf und endet mit einer Kreisöffnung 34, die kegelstumpfförmig in einem Winkel von 30° abgeschrägt ist. Nach dem Einsetzen des Kolbenkopfes 15 in die Kugelschale 16 entsteht ab dem Äquatorkreis 21 zwischen der Kugelschale 16 und dem Kolbenkopf 15 ein Ringspalt 36, in welchen der Rückzugring 17 eingepresst wird, um den Kolbenkopf 15 in der Kugelschale 16 drehbar zu halten. Gemäß Fig. 4 hat der Rückzugring 17 an der kolbenseitigen Innenkante eine ke- gelstumpfförmige Abschrägung 40 in einem 30°-Winkel, die eine Tiefe von 5 mm aufweist: Der Rückzugring weist eine v-förmige Spiralnut 41 auf, die ermöglicht, dass bei eingepresstem Zustand Betriebsmittel von der inneren, kolbenkopfseiti- gen Ringstirnfläche 42 zur äußeren, kolbenhalsseitigen Ringstirnfläche 43 strömen kann. Gemäß Fig. 2 hat jeder Kolbenkopf 15 eine taschenförmige Öffnung 25, von der abgehend eine Spiralnut 26 in einer umlaufenden Ringnut 27 oberhalb des Äquatorkreises 21 endet. Die taschenförmige Öffnung 25 im Scheitel 20 des Kolbenkopfes 15 ist über eine Drosselstelle 28 und eine anschließende Kolbendurchgangsbohrung 29 mit einem Arbeitsraum 18 in der Zylinderbohrung 5 in Verbin- düng steht. Auch die Kugelschale 16 hat eine zur Längsachse der Kugelschale 16 symmetrisch verlaufende taschenförmige Ausnehmung 35, die größeren Durchmessers ist, als der Durchmesser der taschenförmigen Öffnung 25 im Scheitel 20 des Kugelkopfes 15.
Der Betrieb der Axialkolbenmaschine erfolgt in bekannter Weise und wird deshalb nicht weiter beschrieben.
Der dem Schwenkwinkelbereich der Axialkolbenmaschine entsprechende Bereich der konkaven Kugelschalenfläche stellt eine Lagerfläche 45 dar, an der sich die Kugelkopffläche mit einer Lagergegenfläche als definierte Entlastungsfläche 46 durch ein sich in einem Lagerspalt 48 entstehendes Druckfeld 49 abstützt. Die Entlastungsfläche 46 eines hieraus resultierenden hydrostatischen Lagers 47 ist durch die umlaufende Nut 27 auf der oberen Halbkugel 23 begrenzt. Um das Druckfeld 49 aufzubauen, strömt Betriebsmittel vom Arbeitsraum 18 durch die Kolbendurchgangsbohrung 29 über die Drosselstelle 28 in die taschen- förmige Öffnung 25 im Kolbenkopf 15. Vor der Drossel 28 herrscht Versorgungsdruck, an der Entlastungsfläche 46 stellt sich ein bestimmter Zulaufdruck ein. Das Druckfeld 49 nimmt die Kolbenkraft auf und verhindert somit eine metallische Be- rührung zwischen dem Kugelkopf 15 und der konkaven Kugelschalenfläche 45. Wenn die Kolbenkraft zunimmt, wird der Lagerspalt 48 kleiner. Der Zulaufdruck steigt, bis die Druckdifferenz an der Drossel 28 nahezu null ist, d.h. der Zulaufdruck entspricht in etwa dem Versorgungsdruck. Jetzt ist das Lager 47 hydrostatisch entlastet. Wenn die Kolbenkraft abnimmt, wird der Lagerspalt 48 größer, der Zulaufdruck sinkt und nähert sich dem Versorgungsdruck, bis das Lager 47 bei annähernd gleichen Drücken hydrostatisch entlastet ist. Während des Umsteuervorganges von Hochdruck zu Niederdruck fällt der Versorgungsdruck schlagartig ab, während der Zulaufdruck noch sehr hoch ist. Jetzt wird der Kugelkopf 15 in den Rückzugring 17 gedrückt und Betriebsmittel kann über die Spiralnut 41 im Rückzugring 17 in einen Leckölraum 50 abfließen. Der Zulaufdruck fällt und bei annäherndem Druckgleichgewicht ist das Kugellager 47 hydrostatisch entlastet.
Die Nutform im Rückzugring ist nicht auf eine Spirale beschränkt, wichtig ist jedoch, dass die Ringstirnflächen über die Nut in Verbindung stehen. Die Verbin- düng besteht z.B. auch bei mindestens einer axial verlaufenden Nut.

Claims

Patentansprüche
1. Axialkolbenmaschine in Schrägachsenbauweise mit einer in einem Gehäuse drehbar gelagerten Triebwelle, die mit einem Triebflansch endet, der triebwellenabseitig eine Stirnfläche aufweist, in der Kugelschalen zur Aufnahme von Kolbenköpfen ausgebildet sind, in welchen die Kolbenköpfe mittels verformbaren Ringen in den Kugelschalen drehbar gehalten sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringe an der Innenfläche mindestens eine Nut aufweisen, die einen die Ringstirnseiten miteinander verbindenden Verlauf hat.
2. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut einen spiralförmigen Verlauf aufweist.
3. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut einen axialen Verlauf hat.
4. Axialkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Innendurchmesser des Ringes am kol- benkopfseitigen Ende radial erweitert.
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