WO2020254501A1

WO2020254501A1 - Radialkolbenmaschine mit einem kugelkolben

Info

Publication number: WO2020254501A1
Application number: PCT/EP2020/066976
Authority: WO
Inventors: Dirk Becher; Daniel FLACH
Original assignee: Moog Gmbh
Priority date: 2019-06-19
Filing date: 2020-06-18
Publication date: 2020-12-24
Also published as: US20220349394A1; EP3987183A1; CN113994091A; DE102019116680A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Radialkolbenmaschine (1) mit in einem Zylinderträger (16) angeordneten Zylindern (5) und einem in jedem Zylinder (5) angeordneten Kolbenelement (21) welches mit einem Führungselement (22) verbunden ist, wobei das Führungselement (22) auf einer Gleitfläche (14) abläuft, wodurch dem Kolbenelement (21) eine Hubbewegung aufgezwungen wird. Dadurch dass das Kolbenelement (21) zumindest in dem Bereich des Kolbenelements (21), welches während der Hubbewegungen an Innenwänden (51) des Zylinders (5) eine Abdichtung bewirkt, kugelförmig ausgebildet ist, wird eine linienförmige Abdichtung geschaffen, die eine kompaktere Bauform gegenüber Radialpumpen mit zylinderförmigen Kolbenelementen ermöglicht.

Description

Radialkolbenmaschine mit einem Kugelkolben

Die Erfindung betrifft eine Radialkolbenmaschine mit Kolben die in einem Zylinder eine Hubbewegung ausführen. Solche Radialkolbenmaschinen können entweder als

Arbeitsmaschinen dienen, zum Beispiel als Pumpe, oder auch als Motor. Gemeinsam ist allen Radialkolbenmaschinen dass in einem Rotor Zylinder angeordnet sind und einem in jedem Zylinder ein Kolbenelement angeordnet ist, welches mit einem Führungselement verbunden ist, wobei das Führungselement auf einer Gleitfläche abläuft und hierdurch dem Kolbenelement eine Hubbewegung aufzwingt.

Bei Radialkolbenmaschinen sind Zylinder mit ihren Längsachsen radial in einem Rotor angeordnet. Hydraulische Verdrängermaschinen, zu denen die Radialkolbenmaschinen 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.

Bei Radialkolbenmaschinen kann man dann noch weiterhin unterscheiden zwischen innen beaufschlagten und außen beaufschlagten Radialkolbenmaschinen. Bei den innen beaufschlagten Radialkolbenmaschinen werden Arbeitsräume der Zylinder von innen, also zum Beispiel über eine radiale Hohlwelle mit einem Druckmittel befüllt und entleert. Die Zylinder rotieren hierbei um die radiale Hohlwelle. Hierbei stützen sich in den Zylindern angeordnete Kolben an einem äußeren Ring ab, weshalb innen beaufschlagte

Radialkolbenmaschinen auch als außen abgestützte Radialkolbenmaschinen bezeichnet werden. Der äußere Ring, an dem sich die Arbeitskolben abstützen, befindet sich in exzentrischer Lage zu der Hohlwelle.

Im Gegensatz hierzu wird bei außen beaufschlagten Radialkolbenmaschinen das Druckmittel den Zylindern radial von außen zugeführt, wobei die in den Zylindern angeordneten Kolben sich auf einer mittig angeordneten Exzenterwelle abstützen. Außen beaufschlagte

Radialkolbenmaschinen werden daher auch als innen abgestützte Radialkolbenmaschinen bezeichnet. Bei einer handelsüblichen Radialkolbenpumpe wird von einer Antriebswelle ein

Antriebsmoment auf einen Zylinderstern übertragen, in welchem eine Mehrzahl von radial ausgerichteten Zylindern sternförmig angeordnet ist. Der Zylinderstern ist auf einem Steuerzapfen drehbar gelagert. Radial in den Zylindern des Zylindersterns angeordnete Kolben stützen sich über hydrostatisch entlastete Gleitschuhe auf einem exzentrisch zum Zylinderstern gelagerten Hubring ab. Kolben und Gleitschuh sind über ein Kugelgelenk miteinander verbunden und durch einen Sprengring gefesselt. Alternativ kann auch eine Bördelung des Kugelgelenkes vorgesehen sein. Ein Ölstrom ist über zu- und abführende Kanäle im Gehäuse in Fluidverbindung mit den Zylindern des Zylindersterns. Bei Rotation des Zylindersterns führen die Kolben infolge der exzentrischen Lage des Hubrings eine Hubbewegung aus und saugen dabei in einer Expansionsphase das Öl von den zuführenden Kanälen an und schieben das Öl in einer Kompressionsphase in die abführenden Kanäle.

EP 0 011 145 Bl offenbart insbesondere einen Gleitschuh für hydrostatische

Ringkolbenmaschinen bei welchem ein Schaft mit einem Kugelkopf in einer Kugelfläche eines Kolben gelagert ist. Die Kugelfläche ist hierbei in einer den Kolben in Längsrichtung durchdringenden Stufenbohrung ausgebildet. Der Kolben selbst ist in einer in einem Zylinderkörper befindlichen Zylinderbohrung angeordnet. Ein Sprengring hält Kolben und Gleitschuh zusammen.

Bei Radialkolbenmaschinen kommen insbesondere zylinderförmige Kolben zum Einsatz. Um die Reibung der Kolben an den Zylinderinnenwänden zu vermindern, müssen die Kolben in Relation zu ihrem Durchmesser entsprechend lang ausgestaltet sein. Das vergrößert das Volumen einer solchen Radialkolbenmaschine, da der Zylinderstern mit entsprechend ausreichendem Durchmesser ausgeführt sein muss, um entsprechenden Bauraum für die Zylinder vorzuhalten.

Da die beschriebenen Kolbenmaschinen durch ihre Bauart dazu bestimmt sind Drücke bis über 300 bar auszuüben, sind die Gelenkstellen zwischen Kolben und Gleitschuh hohen Wechselbelastungen ausgesetzt. Insbesondere kann das Gelenk nur einer bestimmten maximalen Zugkraft selbst standhalten. Wird diese Kraft überschritten, dann wird das Gelenk getrennt, was zu einem Ausfall der Kolbenmaschine führt. Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Radialkolbenmaschine so auszugestalten, dass die Reibung reduziert wird. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die zulässige Zugkraft am Kolben zu erhöhen, beziehungsweise die Lebensdauer eines Kolbens zu verlängern bevor ein Defekt auftritt.

Diese Aufgabe wird bei einer Radialkolbenmaschine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das Kolbenelement zumindest in dem Bereich des Kolbenelements, welches während der Hubbewegungen an Innenwänden des Zylinders eine Abdichtung bewirkt, kugelförmig ausgebildet ist. Durch die kugelförmige Ausbildung des Kolbenelements ergibt sich ein Abdichtungsbereich, welcher ringförmig ist, also eine geschlossene Kreislinie bildet. Eine geschlossene Kreislinie verursacht weit geringere Reibungskräfte als eine flächenartige Abdichtung durch einen zylinderförmigen Kolben. Bei einer Drehung, bzw. Kippbewegung des kugelförmigen Kolbenelements, verändert sich zwar die Position der kreisförmigen Dichtlinie auf der Oberfläche des zumindest abschnittsweise kugelförmigen Kolbens, 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 kugelförmigen Kolbenelements im Zylinder und unabhängig von dem Kippwinkel des kugelförmigen Kolbenelements, immer genau das gleiche Spiel zwischen Zylinderinnenwand und kugelförmigen Kolbenelements. Kostenintensive reibungsvermindernde

Beschichtungen oder auch tribologische Konturen im Außenmantel eines Kolbens können hierdurch entfallen. Ebenso ist der technische Aufwand eine ausreichend perfekte

Kugelform zu fertigen weit geringer als einen herkömmlichen Längskolben bei

vergleichbarem Leistungsverhalten mit ausreichender Perfektion zu fertigen; oder mit anderen Worten die Fertigungsgüte eines kugelförmigen Kolbenelements kann geringer gewählt werden als bei einem Längskolben nach dem Stand der Technik um denselben Zweck zu erreichen.

Da bei einer Kugel der Durchmesser eines Großkreises jedoch egal in welche Richtung die Kugel gedreht wird, konstant ist, kann das Kolbenelement sich bei der Hubbewegung auch nicht im Zylinder verklemmen, weil der Durchmesser von der jeweils dichtenden Kreislinie im Vergleich zum Durchmesser des Zylinders unverändert bleibt. Das zumindest abschnittsweise kugelförmige Kolbenelement ist durch den flächig anliegenden Druck auch selbstständig mittenzentrierend. Die Verluste der Kolbenmaschine und der Verschleiß innerhalb der Kolbenführung im Zylinder werden somit reduziert.

Da die zumindest abschnittsweise Kugelform des Kugelkolbens die Gesamtlänge des Kolbens in der Kolbenachse reduziert, kann der Rotordurchmesser bei gleicher Leistung kleiner gewählt werden, so dass sich hierdurch eine kompaktere Bauform der

Radialkolbenmaschine ergibt. Gleichzeitig kann auch ein höherer Arbeitsdruck gewählt werden, weil die Schwachstelle der Radialkolbenmaschine nicht mehr länger durch eine Gelenkverbindung bestimmt wird. Der Rundkolben beseitigt daher die Beschränkung des Gehäuseinnendruckes durch die an einem Gelenk wirkenden Zug-, Druck und Querkräften. Bei Kolbenmaschinen mit Längskolben ergaben sich Beschränkungen im Hinblick auf Gehäuseinnendrücke bzw. Staudrücken in einer externen Leckölleitung, die beispielsweise durch erhöhte Lage des Hydrauliktanks, Filtern oder Kühlern in der Leckölleitung verursacht wurden. Mit dem Wegfall einer solchen Beschränkung erweitert sich das

Anwendungsspektrum der Kolbenmaschinen in solchen Applikationen oder macht bestimmte Applikationen erst möglich.

Mathematisch gesehen ist die Oberfläche des abschnittsweisen kugelförmigen Kolbens, 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. Eine symmetrische Kugelzone erhält man aber auch durch eine radiale Bohrung durch eine Kugel.

Bei einem Prototypen einer erfindungsgemäßen Radialkolbenpumpe ergab sich auf Grund der gewählten geometrischen Gegebenheiten ein Kippwinkel a der Kugelzone nach beiden Seiten von in etwa 9°. Mit entsprechender Toleranz wäre vorteilhafterweise ein Kippwinkel a von circa 10°, besser 12° zu wählen. Das Verhältnis von Dicke der Kugelscheibe, beziehungsweise Höhe H der Kugelscheibe zum Durchmesser di< der der Kugelscheibe entspricht dem zweifachen der Tangens Funktion des Kippwinkels a. Bei 12° nach beiden Seiten ergibt dies dann ein Verhältnis von Dicke H der Kugelscheibe zum Durchmesser di< der Kugelscheibe von circa 0,4. Dem Fachmann ist natürlich klar dass dies nur ein Anhaltspunkt sein kann. Je nach geometrischen Abmessungen der Radialkolbenmaschine können im Einzelfall auch größere Werte für den Kippwinkel a erforderlich sein oder auch ein kleiner Kippwinkel a ausreichend sein. Technisch sinnvoll, bzw. erzielbar scheinen Kippwinkel a von bis zu 20° sein.

Vorteilhafterweise kann das zumindest abschnittsweise kugelförmige Kolbenelement mit dem Führungselement über ein Verbindungselement verbunden ist, wobei das

Verbindungselement starr mit dem Kolben und/oder starr mit dem Gleitelement verbunden ist. Durch den kugelförmigen Abschnitt des Kolbenelements hat das kugelförmige

Kolbenelement, soweit seine Bewegung nicht durch eine Zwangsführung eingeschränkt ist, beziehungsweise das Verbindungselement nicht mit den Zylinderwänden in Kontakt tritt, alle Freiheitsgrade sich im Zylinder zu drehen um beispielsweise eine Nick, Gier oder Rollbewegung auszuführen. Im Allgemeinen ist die Bewegung des Kolbenelements durch Zwangsführung auf eine Nickbewegung und eine Hubbewegung beschränkt. Hierdurch ist es in den meisten Anwendungsfällen nicht mehr erforderlich das Gleitelement oder das Kolbenelement beweglich miteinander zu verbinden, da die erforderlichen

Drehbewegungen durch das zumindest abschnittsweise kugelförmig ausgebildete

Kolbenelement ausgeführt werden können. Die Verluste der Kolbenmaschine und der Verschleiß innerhalb der Kolbenführung im Zylinder werden hierbei reduziert.

Länge und Durchmesser des Verbindungselements wird der Fachmann hierbei entsprechend der gewünschten Kinematik und des gewünschten Kippwinkels a wählen. Insbesondere bei Radialkolbenmaschinen weist der Gleitschuh eine abgerundete und auf den Schwenkwinkel und Zylinderinnendurchmesser abgestimmte Kontur auf. Die Kontur des Gleitschuhs muss lediglich die bauartbedingte kinematische Schwenkbewegung des Gleitschuhs abbilden können. Der erfindungsgemäße Kolben mit zumindest abschnittsweisen kugelförmigen Kolbenelements kann beispielsweise mittels Dreh-, Fräs- oder Schleifbearbeitung hergestellt werden. Alternativ ist eine Fertigung, auch von Einzelteilen die entsprechend

zusammengesetzt werden, mittels Gießen, Additive Manufacturing, MIM Technologie, Sintern oder auch die Verwendung von Umformteilen möglich.

In besonderen Anwendungsfällen kann natürlich weiterhin das Kolbenelement auch mit einem Gelenk mit dem Verbindungselement und/oder das Verbindungselement durch ein Gelenk mit dem Führungselement verbunden sein.

Bei der Radialkolbenmaschine kann es sich hierbei um eine innen beaufschlagte

Radialkolbenmaschine oder eine außen beaufschlagte Radialkolbenmaschine handeln. Im Fall einer innen beaufschlagten Radialkolbenmaschine laufen die Führungselemente hierbei auf einem zur Radialachse des Zylinderträgers exzentrisch angeordneten Hubring ab. Im Fall der außen beaufschlagten Radialkolbenmaschine laufen die Führungselemente auf einer im inneren des Zylinderträgers exzentrisch zum Mittelpunkt des Zylinderträgers rotierenden Exzenterwelle ab.

Die Erfindung wird nun anhand von in den Zeichnungen abgebildeten

Ausführungsbeispielen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Radialkolbenmaschine mit den erfindungsgemäßen Rundkolben

Fig. 2 einen Rundkolben gemäß der Erfindung

Fig. 3A, 3B und 3C einen Ausschnitt aus einer Radialkolbenmaschine

Fig. 4 eine außen abgestützte Rotationskolbenmaschine mit einem erfindungsgemäßen

Rundkolben

Die Erfindung betrifft einen neuartigen Kolben für eine Radialkolbenmaschine, wobei die Radialkolbenmaschine, abgesehen von dem neuartigen Kolben eine Radialkolbenmaschine nach dem Stand der Technik sein kann. Aufgrund der Form des Kolbens wird dieser im Folgenden als Rundkolben bezeichnet, obwohl der Teil des Rundkolbens, welcher mit einer Innenwand eines Hohlzylinders in Kontakt tritt, genau genommen nur einem Kugelabschnitt entsprechen muss. In diesem Sinne, wenn im Folgenden aus sprachlicher Vereinfachung von einer Kugelform gesprochen wird, so soll damit auch eine lediglich abschnittsweise

Kugelform mit umfasst sein.

Figur 1 zeigt eine vereinfachte Ansicht einer innen beaufschlagten und außen abgestützten Radialkolbenmaschine 1, teilweise im Schnitt. Im Allgemeinen, wenn keine konstruktiven Besonderheiten dies verhindern, kann diese Radialkolbenmaschine sowohl als Pumpe als auch als Motor betrieben werden. Im Folgenden wird stellvertretend für beide

Betriebsarten die Betriebsart als Pumpe beschrieben. Das Prinzip einer derartigen

Radialkolbenpumpe ist dem Fachmann bekannt, so dass hier nur die wesentlichen Teile beschrieben sind, soweit sie zum Verständnis der Erfindung erforderlich sind. Die

Radialkolbenpumpe 1 weist ein Gehäuse 10 auf, welches etwa topfförmig ausgebildet ist und durch einen nicht dargestellten Gehäusedeckel verschlossen wird. Im Innenraum 11 des Gehäuses 10 ist ein in einer Verstellrichtung 3 verschiebbarer Hubring 12 gelagert, welcher mit seinen Seitenflächen zwischen Schultern des Gehäusebodens und des Gehäusedeckels mit entsprechendem Spiel gelagert ist. Aufgrund des Schnittbilds ist in Figur 1 nur die dem Betrachter zugewandte Seitenfläche 13 des Hubrings 12 sichtbar, welche bei geschlossenem Gehäuse 10 auf der Innenseite des Gehäusedeckels zum Liegen kommt. Die Schultern des Gehäusebodens sind durch den Hubring 12 in dieser Darstellung verdeckt, beziehungsweise der Übersichtlichkeit halber weggelassen.

Der Innenumfang des Hubrings 12 bildet eine Gleitfläche 14 für Gleitschuhe 22, auf welchen sich Kugelkolben 21 abstützen, die in radial verlaufenden Bohrungen 5 eines Zylinderträgers beweglich geführt sind. Da bei dieser Bauart der Zylinderträger in Drehbewegung versetzt wird, wird der Zylinderträger im Folgenden als Rotor 16 bezeichnet. Auf Grund des

Zusammenwirkens dieser Bohrungen mit den Kugelkolben 21, werden diese Bohrungen im Folgenden als Kolbenbohrung 5 bezeichnet.

Die Kolbenbohrungen 5 sind rotationssymmetrisch um die Radialachse 17 des Rotors 16 verteilt. Die Anzahl der Kolbenbohrungen hängt teilweise von der Größe des Rotors 16, beziehungsweise von dem Verdrängungs- bzw. Schluckvolumen der Radialkolbenpumpe 1 ab. In dem hier gezeigten Beispiel einer Radialkolbenpumpe mit einem Verdrängungs- bzw. Schluckvolumen von 19 cm³/U bei einem maximalen Betriebsdruck von 350 bar sind im Rotor 16 sieben Kolbenbohrungen 5 vorgesehen.

Der Rotor 16 ist auf einem fest in einer Steuerzapfenbohrung des Gehäuses 10

angeordneten Steuerzapfens 18 angeordnet und wird durch eine Antriebswelle in Rotation versetzt. In der Betriebsart als Motor wird das von den Kugelkolben 21 erzeugte

Drehmoment auf die Antriebswelle übertragen, die nun technisch korrekt als Abtriebswelle zu bezeichnen ist. Der Kugelkolben 21 dichtet hierbei einen Arbeitsraum der

Radialkolbenmaschine 1 gegenüber dem Innenraum 11 der Radialkolbenmaschine 1 ab, wobei sich der Arbeitsraums innerhalb der Kolbenbohrung 5 von dem Kugelkolben 21 in Verlängerung der Kolbenbohrung in Richtung des Steuerzapfens 18 bis zu dem Steuerzapfen 18 erstreckt. Die Steuerzapfenbohrung und die Antriebswelle sind in Figur 1 durch den Steuerzapfen 18 verdeckt, bzw. auf der abgeschnittenen Seite des Schemas, und daher nicht sichtbar.

Kugelkolben 21 und Gleitschuh 22 sind mittels einer Kolbenstange 23 miteinander verbunden. Die Kolbenstange 23 kann hierbei auch als Pleuel ausgestaltet sein, das heißt das Pleuel kann über ein am Kugelkolben 21 angeordneten Gelenk beweglich mit dem Kugelkolben 21 verbunden sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Kolbenstange 23, beziehungsweise das Pleuel mit einem am Gleitschuh 22 angeordneten Gelenk beweglich mit dem Gleitschuh 22 verbunden sein. Ein synergetischer Effekt ergibt sich jedoch insbesondere dann, wenn die Kolbenstange 23 sowohl starr mit dem Kugelkolben 21 als auch starr mit dem Gleitschuh 22 verbunden ist. In diesem Fall wird die Kugelform des Kugelkolbens 21 nicht nur als Abdichtung zwischen Arbeitsraum und Innenraum 11 der Radialkolbenmaschine 1, sondern auch als alleiniges Gelenk genutzt. Das hat insbesondere den Vorteil, dass eine Schwächung der Kombination Kugelkolben 21, Kolbenstange 23 und Gleitschuh 22 durch Gelenke vermieden wird. Insbesondere bei einer starren Verbindung von Rundkolben 21 und Gleitschuh 22 kann die Kolbenstange 23 als Verjüngung des Rundkolbens 21 so ausgeführt sein, dass die Kolbenstange eine hohe Festigkeit erreicht.

Die Kugelform, beziehungswiese die Kugelabschnittsform erlaubt es dem Kugelkolben 21 sich innerhalb des Kolbenbohrung 5, zwangsgeführt durch den Gleitschuh 22 insbesondere in seiner Rotationsebene eine begrenzte Kippbewegung in oder entgegen der Rotationsrichtung des Rotors 16 auszuführen. Die Kippbewegung des Rundkolbens 21 wird hierbei begrenzt durch die Kolbenstange 23, die an den Kolbenbohrungswänden, insbesondere den Kolbenbohrungsöffnungen die zum Hubring 12 zeigen, zum Anschlag kommen kann. Durch eine beiderseitige Zwangsführung der Gleitschuhe 22 zwischen nicht dargestellten Ringleisten an der Innenseite des Hubrings 12 ist der Kugelkolbens 21 keinen seitlichen Bewegungen unterworfen.

Der Hubring 12 ist im Innenraum 11 quer zum Steuerzapfen 18 zwecks Änderung der Fördermenge durch zwei Stellkolben 31, 32 in der Verstellrichtung 3 verschiebbar. Die zwei Stellkolben 31, 32 wirken an zwei diametral gegenüberliegenden Stellen auf den

Außenumfang des Hubrings 12 mit zwei Verstellgleitsteinen 33, 34 ein.

Im Steuerzapfen 18 ist für die Zuführung eines Druckmittels jeweils ein exzentrisch, parallel zur Mittelachse des Steuerzapfens 18 längsverlaufender erster Niederdruckkanal 41 und ein zweiter Niederdruckkanal 42 ausgebildet, welcher jeweils in eine erste Umfangsnut, im Folgenden als Niederdruckschlitz 45 bezeichnet, am Steuerzapfen 21 mündet. Des Weiteren ist für die Abführung des Druckmittels jeweils ein exzentrisch, parallel zur Mittelachse des Steuerzapfens 21 längsverlaufender ersterer Hochdruckkanal 43 und ein zweiter

Hochdruckkanal 44 ausgebildet, welcher jeweils in eine zweite Umfangsnut, im Folgenden als Hochdruckschlitz 46 bezeichnet, am Steuerzapfen 21 mündet. Der Niederdruckschlitz 45 und der Hochdruckschlitz 46 befinden sich im Mündungsbereich der die Rundkolben 21 aufnehmenden Kolbenbohrung 5 des Rotors 16. Der erste Niederdruckkanal 41 und der zweite Niederdruckkanal 42 enden in einem Niederdruckanschluss der Radialkolbenpumpe 1 und der erste Hochdruckkanal 43 und der zweite Hochdruckkanal 44 enden in einem Hochdruckanschluss der Radialkolbenpumpe 1. Niederdruckanschluss und

Hochdruckanschluss der Radialkolbenpumpe 1 sind in dieser Zeichnung nicht sichtbar, weil sie sich vom Betrachter aus auf der Rückseite des Gehäusebodens befinden. Bei diesem Ausführungsbeispiel wurden zwei Niederdruckkanäle 41, 42 und zwei Hochdruckkanäle 43, 44 gewählt, weil dies im Zusammenspiel mit einer bekannten besonderen geometrischen Ausgestaltung des Steuerzapfens 18 strömungstechnische Vorteile bietet. Um das Grundprinzip der Radialkolbenmaschine 1 zu erfüllen, wären jedoch bereits ein einziger Niederdruckkanal 41, und ein einziger Hochdruckkanal 43 ausreichend.

Im Betrieb der Radialkolbenpumpe 1, das heißt wenn der Rotor 16 in Drehung versetzt ist, werden die Kugelkolben 21 in den Kolbenbohrungen 5 in Richtung der Drehbewegung mitgenommen. Auf Grund der Drehbewegung des Rotors 16 wirkt dabei auf die in den Kolbenbohrungen 5 geführten Kugelkolben 21 eine Fliehkraft, wodurch der jeweilige Kugelkolben 21 in den Kolbenbohrungen 5 radial nach Außen gedrückt werden, bis die Gleitschuhe 22 des Kugelkolbens 21 mit ihren vom Steuerzapfen 18 abgewandten Enden am Hubring 12 zum Anliegen kommen. Im Folgenden bezeichnet der Ausdruck "nach Außen" eine Richtung, die ausgehend von der Rotationsachse 17 des Rotors 16 von der

Rotationsachse 17 des Rotors 16 weg zeigt, während der Ausdruck "nach Innen" eine Richtung bezeichnet, die in Richtung zu der Rotationsachse 17 des Rotors 16 hinzeigt.

Gleichermaßen bezeichnet der Begriff "Außen" eine relative Lage eines Objekts mit größerem radialem Abstand zu der Rotationsachse 17 des Rotors 16 als ein Objekt welches einen radial geringeren Abstand zu der Rotationsachse 17 des Rotors 16 aufweist.

Im Falle dass die Position des Hubring 12 so eingestellt ist, dass die imaginäre Achse des Hubrings 12 identisch zu der Rotationsachse 17 des Rotors 16 angeordnet ist, ist der Abstand D zwischen der Außenseite des Rotors 16 und der Innenseite des Hubrings 12 in jeder Position des Rotors 16 gleich. In diesem Fall verändert sich der radiale Abstand der Kugelkolben 21 in Bezug auf die Rotationsachse 17 während einer Drehbewegung des Rotors 16 nicht, so dass die Kugelkolben 21 innerhalb der jeweiligen Kolbenbohrung 5 keinen Hub ausführen.

Wenn der Hubring 12 so verstellt wird, dass die imaginäre Achse 19 des Hubrings 12 nicht länger identisch mit der Rotationsachse 17 des Rotors 16 ist, wird bei einem Umlauf des Rotors 16 innerhalb des Hubrings 12 der Abstand D zwischen Rotor 16 und Hubring 12 zyklisch verändert. Diese Abstandsänderung bewirkt, dass bei sich verringerndem Abstand D zwischen Hubring 12 und Rotor 16 die Gleitfläche 14 des Hubrings 12 auf die Gleitschuhe 22 eine Gegenkraft ausübt, die die Kugelkolben 21 entgegen der Fliehkraft nach innen drückt. Bei sich vergrößernden Abstand D zwischen Hubring 12 und Rotor 16 hingegen entlastet der Hubring 12 den Gleitschuh 22 des betreffenden Kugelkolbens 21 und der Kugelkolben 21 wird durch die Zentrifugalkraft als auch durch eine Druckkraft radial nach außen gedrückt, so dass der betreffende Gleitschuh 22 den Kontakt zur Gleitfläche 14 des Hubrings 12 nicht verliert. Dementsprechend werden den Kugelkolben 21 während einer

Vollumdrehung des Rotors 16 zwei periodische Hubbewegungen aufgezwungen, eine erste Hubbewegung radial nach außen, bei der sich das Volumen des Arbeitsraums stetig vergrößert und die deshalb im Folgenden als Expansionsphase bezeichnet wird, und eine zweite Hubbewegung radial nach innen, in Richtung des Steuerzapfens 18, bei der sich das Volumen des Arbeitsraums stetig verkleinert, und die deshalb im Folgenden als

Kompressionsphase bezeichnet wird.

Der Niederdruckschlitz 45 ist hierbei auf dem Steuerzapfen 18 so angeordnet, dass in der Expansionsphase der Niederdruckschlitz 45 und damit auch der erste und der zweite Niederdruckkanal 41, 42 mit dem jeweiligen Kugelkolben 21 in Fluidverbindung stehen. Die Hubbewegung des Kugelkolbens 21 radial nach außen erzeugt daher eine Saugwirkung, welche das am Niederdruckanschluss anliegende Druckmittel ansaugt und den Arbeitsraum der Kolbenbohrung 5 mit Druckmittel füllt. Des Weiteren ist der Hochdruckschlitz 46 hierbei so auf dem Steuerzapfen 21 angeordnet, dass bei der Kompressionsphase der

Hochdruckschlitz 46 und damit auch der erste und der zweite Hochdruckkanal 43, 44 mit dem jeweiligen Kugelkolben 21 in Fluidverbindung stehen. Die Hubbewegung des

Kugelkolbens 21 radial nach innen erzeugt daher eine Druckwirkung, welche das im

Arbeitsraum des betreffenden Kolbenbohrung 5 angesammelte Druckmittel über den Hochdruckschlitz 46 in die Hochdruckkanäle 43, 44 ausschiebt.

Die zyklische Hubbewegung der Kugelkolben 21 erzwingt so in der Betriebsart als Pumpe eine Druckmittelströmung vom Niederdruck- zum Hochdruckkanal. In der Betriebsart als Motor hingegen erfolgt eine Druckmittelströmung vom Hochdruck- zum Niederdruckkanal In Abhängigkeit der Betriebsart der Radialkolbenmaschine 1 als Pumpe oder als Motor wird der Radialkolbenmaschine im Pumpbetrieb durch ein Antriebsmoment eine Druckenergie erteilt beziehungsweise im Motorbetrieb eine Druckenergie entzogen und in ein

Abtriebsmoment umgewandelt. Fig. 2 zeigt ein Kolbenelement 2, welches den Kugelkolben 21 und den Gleitschuh 22 umfasst, welche mittels der Kolbenstange 23 starr miteinander verbunden sind. Durch eine Längsachse des Kugelkolbens 21, der Kolbenachse 20 verläuft eine Bohrung 29 durch welche im Betrieb der Kolbenmaschine 1 Druckmittel, welches sich in der Kolbenbohrung 5 befindet, auf eine Gleitschuhsohle 26 gedrückt wird. Die Gleitschuhsohle 26 wird hierdurch in ein hydrostatisches Gleichwicht gezwungen, bei welchem sich zwischen Gleitsohle und Gleitfläche 14 ein reibungsvermindernder Druckmittelfilm ausbildet. Bei einer

Radialkolbenmaschine 1 ist die Gleitschuhsohle 26 an die Geometrie der Gleitfläche 14 angepasst, ist also nach außen gewölbt. Des Weiteren, wie in den Figuren 3 gezeigt, hat der Gleitschuh 22 relativ zu seiner Kolbenachse 20 in Drehrichtung gesehen ein vorderes Gleitschuhende 27 und entgegengesetzt dazu, ein hinteres Gleitschuhende 28.

Im Prinzip könnte der Kugelkolben 21, abgesehen von der Kolbenstange 23, vollständig eine Kugelform einnehmen. Benötigt wird eine idealerweise perfekte Kugelform jedoch nur an den Stellen des Kugelkolbens 21, die zur Abdichtung des Kolbenbohrungsraums mit der Kolbenbohrungswand 51 in Berührung kommen, oder genaugenommen, so gut wie in Berührung kommen. Der Großkreis des Kugelkolbens 21, welcher senkrecht zur Kolbenachse 20 steht, wird im Folgenden als Mittelkreis 24 bezeichnet. Wenn die Kolbenachse 20 mit der Kolbenbohrungsachse 50 übereinstimmt, dann schneidet die Verlängerung der Ebene, die vom Mittelkreis 24 aufgespannt wird, über den Mittelkreis 24 hinaus die Kolbenbohrung in einem Schnittkreis, welcher im Folgenden als Dichtkreis bezeichnet wird, weil er den Arbeitsraum der Kolbenbohrung 5 gegenüber dem Innenraum 11 der Kolbenmaschine 1 faktisch abschließt. Die Summe aller Dichtkreise die sich bei einer Vollumdrehung ausbilden können, definiert hierbei eine Kugelzone 250, also den äußeren Umfang einer Kugelscheibe in welchen das zumindest abschnittsweise kugelförmige Kolbenelement 71 einer idealen Kugelform entsprechen muss.

Um zu verhindern, dass sich der Kugelkolben 21 in der Kolbenbohrung 5 verklemmt, ist der Durchmesser di< des Mittelkreises 24 geringfügig kleiner gewählt als der Durchmesser der Kolbenbohrung 5. Mit einem beispielsweise um 10 pm kleineren Mittelkreis 24 ergibt sich bei zentrischer Lage von Mittelkreis 24 und Kolbenbohrungswand 51 rundum ein Spiel von 5pm zwischen Arbeitskreis und Mittelkreis. Durch die Viskosität des Druckmittels ergibt dies eine ausreichende Abdichtung zwischen Arbeitsraum und Innenraum 11 der Kolbenmaschine 1. Der Fachmann wird natürlich das Spiel zwischen Kugelkolben 21 und Kolbenbohrungswand 51 so wählen, dass es unter den gegebenen Abmessungen und dem jeweiligen Einsatzzweck bestens geeignet ist.

Fig. 3A zeigt den Kugelkolben 21 an seinem Äußeren Totpunkt, das heißt beim Übergang von der Expansionsphase in die Kompressionsphase. Am Äußeren Totpunkt ist durch die

Exzenterstellung des Hubrings 12 der Abstand zwischen Rotor 16 und der Gleitfläche 14 des Hubrings 12 auf einem Maximalabstand D_max. Durch die Fliehkraft, beziehungsweise

Ringleisten, Niederhalter sowie andere Druckkräfte richtet sich der Kugelkolben 21 an seinem Äußeren Totpunkt im Allgemeinen so aus, dass die Kolbenachse 20 mit der

Kolbenbohrungsachse 50 mehr oder weniger übereinstimmt. Die Geometrie der einzelnen Elemente der Ringkolbenmaschine 1 sind so gewählt, dass sich hierbei der Mittelkreis 24 des Kugelkolbens 21 nahe der äußeren Kolbenbohrungsöffnung 52 befinden, aber immer noch ausreichend tief in der Kolbenbohrungswand 51 um eine sichere Führung des Kolbens 2 innerhalb der Kolbenbohrung 5 sowie eine Abdichtung zwischen Kolbenbohrungswand 51 und Mittelkreis 24 zu gewährleisten.

Vom Äußeren Totpunkt wird der Kolben 2 beim Weiterdrehen dann durch die Kräfte die von der Kolbenbohrungswand 51 auf den Mittelkreis 24 des Kugelkolbens 21 wirken, in

Drehrichtung 15 des Rotors 16 mitgenommen. Da sich in der Kompressionsphase der Abstand zwischen Hubring 12 und Rotor 16 zunehmend verringert, wird der Kolben 2 tiefer nach innen in den betreffende Kolbenbohrung 5 geführt. Bedingt durch die Exzentrizität zwischen Hubring 12 und Rotor 16 ist der Abstand zwischen Hubring 12 und Rotor 16 an der Position des vorderen Gleitschuhendes 27 unterschiedlich zum Abstand zwischen Hubring 12 und Rotor 16 an der Position des hinteren Gleitschuhendes 27. Hierdurch baut sich eine Kraft auf, die in der Kompressionsphase, vom vorderen Gleitschuhende 27 zum hinteren Gleitschuhende 28 wirkt. Hierdurch wird der Kolben 2 des Kugelkolbens 21 in der

Kompressionsphase um seinen Mittelpunkt Z entgegengesetzt zur Drehrichtung 15 des Rotors 16 verkippt. Durch diese Kippbewegung dreht sich der Mittelkreis 24 an der der Rotationsrichtung abgewandten Kolbenbohrungswand 51 in Richtung der äußeren

Kolbenbohrungsöffnung 52 und an der an der der Rotationsrichtung zugewandten Kolbenbohrungswand 51 in Richtung der inneren Kolbenbohrungsöffnung 53. Der

Mittelkreis 24 des Kugelkolbens 21 verliert dadurch die Berührung zur Kolbenbohrungswand 51. Durch die Kugelform des Kugelkolbens 21 wird nun ein neuer Großkreis des

Kugelkolbens 21 zum Dichtkreis 25, und zwar derjenige Großkreis der in einer jeweiligen Position des Kugelkolbens 21 in der Kolbenbohrung 5 senkrecht zur Kolbenbohrungachse 50 zum Liegen kommt. Als geometrische Konsequenz ist der Mittelpunkt jedes Dichtkreises identisch mit dem Kugelmittelpunkt Z des Kugelkolbens 21.

Beim Übergang von Inneren Totpunkt IT zu Äußeren Totpunkt AT des Kolbens 2, also in der Expansionsphase, vergrößert sich der Abstand zwischen der Außenseite des Rotors 16 und der Innenseite des Hubrings 12 stetig von D_min auf D_max. In der Expansionsphase ist daher der Abstand D am vorderen Gleitschuhende 27, immer grösser als am hinteren

Gleitschuhende 28. Hierdurch ist die Gegenkraftkomponente die vom Hubring 12 auf den Kolben 2 ausgeübt wird am vorderen Gleitschuhende 27 geringer als am hinteren

Gleitschuhende 28. Folglich weicht der Kolben 2 in Richtung des vorderen Gleitschuhendes 27, als in Richtung der Drehrichtung 15 des Rotors 16 aus. So gesehen eilt in der

Expansionsphase der Kippwinkel a der Rotationsbewegung 15 voraus. In der

Kompressionsphase, also beim Übergang zwischen Äußeren Totpunkt AT zu Inneren

Totpunkt IT drehen sich diese Verhältnisse um und der Kippwinkel a eilt der

Rotationsbewegung 15 des Rotors 16 nach. Durch diese Kippbewegung ist die Kolbenachse 20 um einen Winkel a gegenüber der Kolbenbohrungsachse 50 verkippt. Diese

Kippbewegung hat ihr größtes Ausmaß zum einen, wie in Figur 3B gezeigt, in etwa in der Hälfte der Bewegung zwischen Inneren Totpunkt IT und Äußeren Totpunkt AT des Kolbens 2, beziehungsweise in etwa der Hälfte der Bewegung des Kolbens 2 zwischen Äußeren

Totpunkt AT und Innerem Totpunkt IT.

Figur 3C zeigt schließlich den Kugelkolben 2 an seinem Inneren Totpunkt wenn der Abstand zwischen Hubring 12 und Rotor 16 einen minimalen Abstand D_min erreicht hat. Wie man sehen kann, ist ein Kolbenboden 210, welcher sich an den abschnittsweise kugelförmig ausgestalteten Kolben 21 auf der der Kolbenstange 23 abgewandten Seite anschließt, im Wesentlichen kugelstumpfförmig ausgestaltet, so dass der Kolbenboden 210 im inneren Totpunkt IT sich weitestgehend an einen trichterförmigen Übergang von Kolbenbohrung 5 zum Steuerzapfen 18 anpassen kann. Hierdurch wird in vorteilhafterweise das Totvolumen im inneren Totpunkt IT minimiert.

Geometrischen Gesetzen zur Folge ist dieser Winkel a auch gleich dem Winkel a zwischen Dichtkreisebene und Mittelkreisebene. Aus fertigungstechnischen Gründen, aber auch wegen einer möglichen Drehrichtungsänderung wird man die Kugeloberfläche des

Kugelkolbens 21 symmetrisch ausführen so dass der Kugelabschnitt, beziehungsweise die Kugelzone 250 wie in Fig. 2 gezeigt mindestens einen Winkel zwischen -a und +a umfasst. Des Weiteren ist abhängig von der gewählten Geometrie des Rundkolbenmaschine 1 und des Kolbens 2 die Verjüngung an der Position der Kolbenstange 23 so zu wählen, dass die Kolbenstange im Betrieb nicht mit den Kolbenbohrungswänden 51 oder dem Rotor 16 zum Anliegen kommt um eine Beschädigung von Kolbenbohrungsstange 23, beziehungsweise Rotor 16 und Kolbenbohrungswände 51 zu vermeiden.

Die Erfindung eignet sich auch für innenabgestützte Radialkolbenmaschinen. Fig. 4 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer innenabgestützte Radialkolbenmaschine 6, bei welcher

Niederdruckkanäle und Hochdruckkanäle an der Außenseite 66 eines, in diesem Fall feststehenden Kolbenträgers 61 angeordnet sind. Die Ausbildung der Niederdruckkanäle und Hochdruckkanäle bei einer innenabgestützte Radialkolbenmaschine 6 sind dem

Fachmann geläufig, so dass sie der Übersichtlichkeit halber in der Zeichnung Fig. 4 nicht explizit eingezeichnet sind.

Der Kolbenträger 61 bildet eine Aufnahme für eine Mehrzahl von Kolbenbohrungen 5, welche radial um einen Mittelpunkt 60 des Kolbenträgers 61 mit gleichen Abstand untereinander angeordnet sind, so dass die Verlängerungen der Längsachsen 50 der Kolbenbohrungen 5 sich im Mittelpunkt 60 des Kolbenträgers 61 schneiden. Der

Übersichtlichkeit halber sind in der Zeichnung Fig. 4 nur drei Kolbenbohrungen 5 dargestellt. Üblich ist eine ungerade Anzahl zwischen drei und neun, aber je nach Größe und Leistung der Radialkolbenpumpe wird der Fachmann eine geeignete Anzahl von Kolbenbohrungen wählen. Das Innere des Kolbenträgers 61 ist als Hohlraum ausgebildet, in welchen eine Exzenterwelle 63 um den Kolbenträgermittelpunkt 60 rotiert. Der Exzentermittelpunkt E befindet sich in einem Abstand D zum Kolbenträgermittelpunkt 60, in Folge dessen der Exzentermittelpunkt E auf einer Kreisbahn 64 um den Kolbenträgermittelpunkt 60 rotiert.

In jeder der Kolbenbohrungen 5 ist ein erfindungsgemäßer Rundkolben angeordnet, welcher im Wesentlichen aus einem kugelförmigen Kolbenelement 71, einer Kolbenstange 73 und einem Gleitschuh 72 gebildet wird. Jeder Rundkolben wird durch jeweils ein

Rückstellelement, welche in diesem Ausführungbeispiel als Schraubenfedern 74 ausgebildet sind, in Richtung der Exzenterwelle 63, beziehungsweise des Exzentermittelpunktes E , also in das Innere der Radialkolbenmaschine gedrückt wird. Bei der innenabgestützten

Radialkolbenmaschine 6 dichtet das das zumindest abschnittsweise kugelförmige

Kolbenelement 71 den Arbeitsraum der Radialkolbenmaschine 6 nach innen ab. Der Arbeitsraum, in welchem das Druckmittel zugeführt beziehungsweise abgeführt wird, ist somit der Teil der Kolbenbohrung 5, die sich zwischen dem äußeren Umfang 66 des

Kolbenträgers 61 und dem zumindest abschnittsweise kugelförmigen Kolbenelementes 71 erstreckt.

Der äußere Umfang der Exzenterwelle 63 bildet eine Gleitfläche 65 auf welcher sich die Gleitschuhe 72 der Rundkolben 7 sich mit Gleitsohlen 76 abstützen. Da die Gleitfläche 65 der Exzenterwelle bei diesem Ausführungsbeispiel konvex geformt ist, sind die

Gleitschuhsohlen 76 entsprechend konkav geformt. Während einer Vollumdrehung der Exzenterwelle 63 werden den Kugelkolben 7 durch Abgleiten der Gleitschuhe 72 auf der Exzenterwelle 63 zwei periodische Hubbewegungen aufgezwungen, eine erste

Hubbewegung radial nach außen, bei der sich das Volumen des Arbeitsraums stetig verkleinert und die deshalb im Folgenden als Kompressionsphase bezeichnet wird, und eine zweite Hubbewegung radial nach innen, in Richtung des Kolbenträgermittelpunktes 60, bei der sich das Volumen des Arbeitsraums stetig vergrößert, und die deshalb im Folgenden als Expansionsphase bezeichnet wird. Der Abstand D zwischen Exzentermittelpunkt E und Kolbenträgermittelpunkt 60 bestimmt hierbei die Amplitude des Kolbenhubs.

Wie auch bei der in dem ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen außen abgestützten Radialkolbenmaschine 1 führen die Rundkolben 7 bei den Expansion- und Kompressionsphasen eine Kippbewegung aus. Durch das zumindest abschnittsweise kugelförmig ausgebildete Kolbenelement 71 wird auch hier jederzeit ein kreislinienförmiger Dichtkreis zwischen einer Innenwand 51 der Kolbenbohrung 5 und einer Kugelzone 75 des Rundkolben 7 eingehalten. Auch in diesem Ausführungsbeispiel verhindert ein Spiel zwischen Kugelkolben 7 und Kolbenbohrungswand 51, dass der Kugelkolben 7 nicht verklemmen kann.

Claims

Patentansprüche

1. Radialkolbenmaschine (1) mit in einem Zylinderträger (16) angeordneten Zylindern (5) und einem in jedem Zylinder (5) angeordneten Kolbenelement (21) welches mit einem Führungselement (22) verbunden ist, wobei das Führungselement (22) auf einer Gleitfläche (14) abläuft, wodurch dem Kolbenelement (21) eine Hubbewegung aufgezwungen wird dadurch gekennzeichnet, dass

das Kolbenelement (21) zumindest in dem Bereich des Kolbenelements (21), welches während der Hubbewegungen an Innenwänden (51) des Zylinders (5) eine Abdichtung bewirkt, kugelförmig ausgebildet ist.

2. Radialkolbenmaschine (1) nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass

das Kolbenelement (21) mit dem Führungselement (22) über ein Verbindungselement (23) verbunden ist, wobei das Verbindungselement (22) starr mit dem Kolbenelement (21) verbunden ist.

3. Radialkolbenmaschine (1) nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass

das Kolbenelement (21) mit dem Führungselement (22) über ein Verbindungselement (23) verbunden ist, wobei das Verbindungselement (23) starr mit dem Führungselement (22) verbunden ist.

4. Radialkolbenmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1, 2, oder 3

dadurch gekennzeichnet, dass

das Führungselement ein Gleitschuh (22) ist, welcher auf einer Gleitfläche (14) abläuft.

5. Radialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 - 4,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Radialkolbenschiene eine außen abgestützte Radialkolbenmaschine ist.

6. Radialkolbenmaschine (1) nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass

die Radialkolbenmaschine eine Radialkolbenmaschine ist bei der die Führungselemente (22) auf einem Hubring (12) ablaufen.

7. Radialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 - 4,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Radialkolbenschiene eine innen abgestützte Radialkolbenmaschine ist.

8. Radialkolbenmaschine (1) nach Anspruch 7

dadurch gekennzeichnet, dass

bei der innen abgestützten Radialkolbenmaschine die Führungselemente (22) auf einer Exzenterwelle (63) ablaufen.

9. Radialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 - 8,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Bereich des Kolbenelements (21), welches zumindest in dem Bereich des

Kolbenelements (21), welches während der Hubbewegungen an Innenwänden (51) des Zylinders (5) eine Abdichtung bewirkt, eine symmetrische Kugelzone (250) ist.

10. Radialkolbenmaschine nach Anspruch 9,

dadurch gekennzeichnet dass die symmetrische Kugelzone wenigsten einen Kippbereich von jeweils 20° nach beiden Seiten umfasst.