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Die
Erfindung betrifft eine Radialkolbenmaschine mit veränderlichem
Förder- oder Schluckvolumen gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Derartige
Radialkolbenmaschinen sind als Mehrhubradialkolbenmaschine ausgebildet,
wobei eine Vielzahl von Kolben in einem drehbar gelagerten Zylinderstern
in Radialrichtung verschiebbar geführt sind. Aus dem Zylinderstern
in Radialrichtung herausragende Endabschnitte der Kolben liegen über Kolbenschuhe
an einer Innenumfangsfläche eines Hubrings an, die mit
Steuernocken ausgeführt ist, so dass bei einer Relativdrehung
zwischen Zylinderstern und dem feststehenden Hubring die Kolben
in Radialrichtung verfahren werden, so dass vom Zylinderstern und
von den Kolben begrenzte Arbeitsräume zyklisch vergrößert
oder verkleinert werden. Die Arbeitsräume werden entsprechend
der Kolbenposition zyklisch mit einem Druckmittelzulauf oder einem Druckmittelablauf
verbunden, wobei in einer stirnseitig ausgebildeten Steuerscheibe
entsprechende Steueröffnungen und Steuerkanäle
ausgebildet sind, um den jeweiligen Arbeitsraum mit dem Druckmittelzulauf
oder dem Druckmittelablauf zu verbinden. Der Grundaufbau einer derartigen
Radialkolbenmaschine ist aus der
DE 198 32 196 A1 bekannt.
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Nachteilig
an dieser Lösung ist, dass das Förder- oder Schluckvolumen
der Arbeitsmaschine nicht verstellbar ist.
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In
der
DE 36 37 174 A1 ist
eine Radialkolbenmaschine beschrieben, bei der Arbeitsräume
zur Veränderung des Förder-/Schluckvolumens über
ein Wegeventil miteinander verbunden und vom Druckmittelzulauf und
vom Druckmittelablauf abgesperrt werden, so dass diese Arbeitsräume
praktisch "abgeschaltet" sind und entsprechend das Förder-/Schluckvolumen
verringert wird. Eine entsprechende Lösung ist auch in
der
US 4,724,742 gezeigt.
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Nachteilig
bei diesen Lösungen ist, dass die Veränderung
des Förder-/Schluckvolumens nur stufenförmig mit
vergleichsweise großen Volumenunterschieden erfolgen kann,
so dass eine exakte Anpassung an den Druckmittelbedarf nicht möglich
ist. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass das Wegeventil mit
den erforderlichen Druckmittelkanälen in die Hydromaschine
integriert werden muss, so dass ein erheblicher vorrichtungstechnischer
Aufwand erforderliche ist, um eine der artige stufenweise Umschaltung des
Förder-/Schluckvolumens zu realisieren. Des Weiteren kann
es beim Umschalten des Wegeventils zu Druckspitzen kommen, die zu
einer Schädigung der Bauelemente oder zu einer Geräuschemission führen.
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In
dem Fachbuch
"Grundlagen der Hydraulik"; Horst-W. Grollius;
Fachbuchverlag Leipzig; 3. aktualisierte Auflage; 2006" ist
eine Radialkolbenmaschine gezeigt, bei der der Hubring mit einer
zylindrischen Steuerfläche ausgeführt ist und
die Kolbenbewegung durch eine exzentrische Anordnung des Hubrings
mit Bezug zum Zylinderstern bewirkt wird. Bei einer derartigen Lösung
kann das Förder-/Schluckvolumen durch Verstellen der Exzentrizität
zwischen Hubring und Zylinderstern verstellt werden.
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Dem
gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine
Radialkolbenmaschine der eingangs genannten Bauart zu schaffen,
bei der das Förder-/Schluckvolumen auf einfache Weise veränderbar
ist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Radialkolbenmaschine mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß hat
die Radialkolbenmaschine eine Vielzahl von in einem drehbar gelagerten Zylinderstern
verschiebbar geführtern Kolben, die gegen einen stillstehenden
Hubring vorgespannt sind und jeweils mit dem Zylinderraum einen
Arbeitsraum begrenzen. Die Arbeitsräume der Radialkolbenmaschine
sind über in einem Kommutator ausgebildete Steuerkanäle
mit einem Druckmittelzulauf und/oder Druckmittelablauf verbindbar.
Erfindungsgemäß kann die Relativposition des Kommutators über
eine Stelleinrichtung im Sinne einer Phasenverschiebung mit Bezug
zum Hubring verstellt werden, so dass – je nach Drehrichtung
und Drehwinkel – eine Phasenanschnittsteuerung, eine Phasenabschnittsteuerung oder
eine Phasenausschnittsteuerung ermöglicht wird. Dadurch
kann beispielswiese durch im Vergleich zu herkömmlichen
Lösungen verspätetes oder früheres Öffnen
einer Druckmittelverbindung zwischen Arbeitsraum und Niederdruck
das Schluck-/Fördervolumen stufenlos verändert
werden, so dass auch die bei herkömmlichen Lösungen
auftretenden Pulsationen des Förder- oder Saugvolumenstroms
vermieden oder zumindest verringert werden können.
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Bei
einer erfindungsgemäßen Variante der Erfindung
ist der Kommutator drehbar gelagert, so dass er zur Einstellung
der Phasenverschiebung um einen vorbestimmten Drehwinkel verschwenkt
werden kann.
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Das
Verstellen des Kommutators erfolgt über einen geeigneten
Aktuator, beispielsweise ein Piezostellelement, einen hydraulischen
oder pneumatischen Aktuator oder ein elektromagnetisches Stellglied,
der sich relativ einfach in ein Gehäuse der Radialkolbenmaschine
integrieren lässt.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind
Zylinderstern und Hubring zentrisch angeordnet. Prinzipiell könnte
eine Variante mit verstellbarem Kommutator auch bei einer Lösung
mit exzentrisch angeordnetem Hubring vorgesehen werden.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Radialkolbenmaschine
als mehrhubiger Radialkolbenmotor ausgeführt.
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Sonstige
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer
Unteransprüche.
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Im
Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
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1 einen
Längsschnitt durch einen Radialkolbenmotor und
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2 einen
Radialschnitt durch den Radialkolbenmotor aus 1.
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Der
Grundaufbau des in
1 dargestellten Ausführungsbeispiels
ist in der
DE 198
32 696 A1 ausführlich beschrieben, so dass hier
nur die zum Verständnis der Erfindung wesentlichen Einzelheiter erläutert
werden und im Übrigen auf den genannten Stand der Technik
verwiesen wird.
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Die
Erfindung wird anhand eines in den 1 und 2 dargestellten
Radialkolbenmotors erläutert, wie erwähnt kann
die Radialkolbenmaschine jedoch auch entsprechend als Pumpe ausgeführt sein.
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Gemäß dem
in 1 dargestellten Längsschnitt entlang
der Schnittlinie I-I in 2 und dem in 2 dargestellten
Schnitt entlang der Schnittlinie II-II in 1 hat der
Radialkolbenmotor 1 ein zweiteiliges Gehäuse mit
zwei Gehäusetöpfen 2, 4 zwischen denen
ein Hubring 6 dichtend angeordnet ist. In dem Gehäuse 2, 4 ist
eine Abtriebswelle 8 über eine Wälzlageranordnung 10, 12 gelagert,
die sowohl Axial- als auch Radialkräfte aufnehmen kann. Über
die Abtriebswelle 8 kann zum Beispiel ein Rad eines Fahrzeugs
angetrieben werden.
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Die
Abtriebswelle 8 ist mit einer Aussenverzahnung 14 ausgeführt,
die mit einer Innenverzahnung 16 eines Zylindersterns 18 kämmt,
in dem eine Vielzahl von im Außenumfang des Zylindersterns 18 mündenden
Zylinderbohrungen 20 ausgebildet sind. In diesen ist jeweils
ein Kolben 22 in Radialrichtung verschiebbar geführt.
Gemäß dem Radialschnitt in 2 sind bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel 8 Kolben im Zylinderstern 18 gelagert.
In dem Längsschnitt gemäß 1 ist
der in 2 unten liegende Kolben nicht sichtbar, da die
Schnittebene in dem unter der Achse 24 liegenden Bereich
(siehe 2) schräg angestellt ist und zwischen
zwei Kolben 22 bzw. Zylinderbohrungen 20 verläuft.
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Jeder
Kolben 22 und die zugeordnete Zylinderbohrung 20 begrenzen
einen Arbeitsraum 26, der durch einen im Parallelabstand
zu einer Achse 24 verlaufenden Kanal 27 in einer
in 1 links liegenden Stirnfläche 28 des
Zylindersterns 18 mündet. D. h., in dieser Stirnfläche
münden eine Vielzahl von jeweils einem der Arbeitsräume 26 zugeordneten
Kanälen 27, über die Druckmittel in den
Arbeitsraum 26 bzw. aus dem Arbeitsraum 26 strömen
kann. An der Stirnfläche 28 des drehbaren Zylindersterns 18 liegt eine
Steuerscheibe – im Folgenden Kommutator 30 genannt – dichtend
an. Dieser hat eine Innenbohrung 32 und ist beim dargestellten
Ausführungsbeispiel mit seinem abgestuften Außenumfang
drehbar an einer abgestuften Lageraufnahme 34 des in 1 linken
Gehäusetopfs 2 gelagert.
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Am
Außenumfang des Kommutators 30 sind zwei umlaufende
Ringnuten 38, 40, ausgebildet, die jeweils gemeinsam
mit der benachbarten Umfangsfläche des Gehäusetopfs 2 einen
Ringraum 38, 40 ausbilden, wobei der eine Ringraum 38 über
einen in 1 gestrichelt angedeuteten Zulaufanschluss
P an eine einen Systemdruck führende Leitung und der andere
Ringraum 40 über einen Tankanschluss T an einen
Tank oder an Niederdruck anschließbar ist. In dem Ringraum 38 münden
eine Vielzahl von Zulaufkanälen 42, die im Parallelabstand
zur Achse 24 ausgebildet sind und je nach Drehposition
mit dem Kanal 27 eines Arbeitsraums 26 in Überdeckung
bringbar sind, so dass dann Druckmittel dem jeweiligen Arbeitsraum 26 zuströmen
kann. D. h., im Kommutator 30 sind eine der Kolbenanzahl
entsprechende Anzahl von Zulaufkanälen 42 ausgebildet.
Entsprechend sind im Kummutator 30 noch eine Vielzahl von in 1 gestrichelt
angedeuteten Ablaufkanälen 44 ausgebildet, die
einerseits im weiteren Ringraum 40 und andererseits je nach
Drehposition mit einem Kanal 27 in Überdeckung
bringbar sind, um Druckmittel aus dem Arbeitsraum 26 zum
Tank hin abzuführen.
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Wie
sich insbesondere aus der Darstellung gemäß 2 ergibt,
ist eine Innenumfangsfläche 46 des Hubrings 6 als
Steuer- oder Hubkurve mit einer Vielzahl von Steuernocken 48 ausgeführt,
wobei die Anzahl und Geometrie der einzelnen Nocken so gewählt
ist, dass beim dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils
zwei Kolben 22 am äußeren bzw. inneren
Totpunkt angeordnet sind, während die dazwischen liegenden
Kolben sich in einer entsprechend dazu versetzten Hubposition befinden.
Konkret sind bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel den
acht Kolben 22 sechs Steuernocken 48 zugeordnet.
Die Kolben 22 sind über Rollen 54 an
der Hubkurve des Hubrings 6 abgestützt.
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In
der Darstellung gemäß 2 sind zum besseren
Verständnis die Mündungsbereiche der Zulaufkanäle 42 und
der Ablaufkanäle 44 zeichnerisch radial nach außen
versetzt und vergrößert dargestellt – wie
sich aus 1 ergibt, münden diese
konkret im Bereich der Kanäle 27 ein, die in der
Darstellung gemäß 2 sowohl
an ihrer konkreten Position (Mündung im Arbeitsraum 26)
als auch in der Relativposition zu den zur Erläuterung
radial nach außen gezogenen Zulauf- und Ablaufkanälen 42, 44 dargestellt sind.
Dabei sind die Mündungsbereiche der Zulaufkanäle 42 als
Zulaufsteuerfenster 50 und die Mündungsbereiche
der Ablaufkanäle 44 als Ablaufsteuerfenster 52 eingezeichnet,
die jeweils einen etwa rechteckförmigen Querschnitt haben
und auf einem gemeinsamen Teilkreis liegen. Die ebenfalls in 2 schematisch
eingezeichneten Mündungsbereiche der Kanäle 27 sind
etwa kreisförmig angeordnet, wobei der Abstand zwischen
zwei benachbarten Zulauf- und Ablaufsteuerfenstern 50, 52 so
gewählt ist, dass der zwischen zwei Fenstern verbleibende
Steg im Bereich der inneren und äußeren Totpunkte
der Kolben 22 den jeweiligen Kanal 27 überdeckt,
so dass der Arbeitsraum 26 sowohl zum Zulaufanschluss P als
auch zum Ablaufanschluss T abgesperrt ist.
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Die
anderen Kolben 22 befinden sich entsprechend in Zwischenpositionen,
in denen entweder ein Zulaufsteuerfenster 50 oder ein Ablaufsteuerfenster 52 mit
dem Mündungsbereich eines Kanals 27 überdeckt.
In dem Fall, in dem das Zulaufsteuerfenster 50 zum Kanal 27 offen
ist, kann mit Systemdruck beaufschlagtes Druckmittel über
den Druckanschluss P, den Ringraum 38, den Zulaufkanal 42 und den
Kanal 27 in den betreffenden Arbeitsraum 26 einströmen,
so dass der Kolben 22 von innen her mit Hochdruck beaufschlagt
ist und somit in Radialrichtung nach Außen gedrängt
wird. Diese Kraft wirkt über die Rolle 54 auf
den Hubring 6, so dass entsprechend der Geometrie der Hubkurve
ein Drehmoment auf den Zylinderstern 18 ausgeübt
wird und dieses in der Pfeilrichtung gemäß 2 verdreht
wird, so dass die Rolle 54 entlang des – im Uhrzeigersinn
nach 2 betrachtet – in Radialrichtung nach
außen abfallenden Teils der jeweiligen Nocke 48 in 2 abläuft
und der Arbeitsraum 26 entsprechend vergrößert
wird. Bei Erreichen des äußeren Totpunktes wird der
Kanal 27 abgesperrt und bei einer weiteren Drehung die
Druckmittelverbindung vom Arbeitsraum 26 zum Ablaufsteuerfenster 52 und
damit zum Ablaufkanal 44 aufgesteuert, so dass das Druckmittel
drucklos aus dem Arbeitsraum 26 über den Kanal 27,
den Ablaufkanal 44, den Ringraum 40 und den Tankanschluss
T zum Tank abströmen kann.
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Insofern
unterscheidet sich die Funktion der Radialkolbenmaschine nicht von
derjenigen herkömmlicher Lösungen.
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Bisher
wurde der Kommutator 30 stets drehfest im Pumpengehäuse
aufgenommen – wie vorstehend erläutert, ist bei
der erfindungsgemäßen Lösung der Kommutator 30 drehbar
in dem Gehäusetopf 2 aufgenommen. Die Drehwinkelposition
des Kommutators 30 mit Bezug zur Hubkurve (Nocken 48)
kann mittels eines Aktuators 56 eingestellt werden, der
an einem am Außenumfang des Kommutators 30 in
Radialrichtung vorspringenden Mitnehmer 58 angreift. Durch
Betätigung des Aktuators 56 kann die Relativposition
der Steuerfenster 50, 52 zur Hubkurve verstellt
werden, so dass beispielsweise bereits vor dem Erreichen des äußeren
Totpunktes eine Druckmittelverbindung zum Tank aufgesteuert und entsprechend
das Schluckvolumen des Radialkolbenmotors verringert wird. Entsprechend
kann auch die Druckmittelverbindung zum Ablauf durch geeignete Verschwenkung
des Kommutators länger, d. h. über den äußeren
Totpunkt hinaus offengehalten werden, um das Schluckvolumen zu verringern.
Prinzipiell kann durch eine derartige Relativverschwenkung des Kommutators 30 mit
Bezug zur Hubkurve eine Phasenanschnitts-, Phasenabschnitts- oder eine
Phasenausschnittssteuerung eingstellt werden, in denen der Arbeitsraum
vor, nach oder zwischen den Totpunkten mit dem Niederdruck verbunden wird.
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Es
zeigte sich, dass trotz einer derartigen Phasenverschiebung die
Geräuschemission des vergleichsweise langsam laufenden
Radialkolbenmotors 1 vergleichsweise gering ist, wobei
die stufenlose Verstellbarkeit des Schluckvolumens eine optimale
Anpassung an unterschiedliche Betriebsbedingungen ermöglicht
und auch eine Pulsation des Druckmittelvolumenstroms weitestgehend
verringert werden kann.
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Offenbart
ist eine Radialkolbenmaschine mit einer Vielzahl von in Radialrichtung
verschiebaren, in einem Zylinderstern gelagerten Kolben, deren aus dem
Zylinderstern herausragende Endabschnitte an einem Hubring abgestützt
sind, so dass bei einer Drehung des Zylindersterns die Kolben entsprechend
einer vom Hubring vorgegebenen Hubkurve einen Hub durchführen
bzw. durch entsprechende Druckbeaufschlagung und Druckentlastung
der Kolben sich der Zylinderstern relativ zum Hubring dreht. Ein
von jedem Kolben und dem Zylinderstern begrenzter Arbeitsraum ist über
einen Kommutator mit einem Druckmittelzulauf bzw. einem Druckmittelablauf
verbindbar. Erfindungsgemäß kann die Position des
Kommutators mit Bezug zu der Hubkurve im Sinne einer Phasenverschiebung
verstellt werden.
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- 1
- Radialkolbenmotor
- 2
- Gehäusetopf
- 4
- Gehäusetopf
- 6
- Hubring
- 8
- Abtriebswelle
- 10
- Wälzlager
- 12
- Wälzlager
- 14
- Aussenverzahnung
- 16
- Innenverzahnung
- 18
- Zylinderstern
- 20
- Zylinderbohrung
- 22
- Kolben
- 24
- Achse
- 26
- Arbeitsraum
- 27
- Kanal
- 28
- Stirnfläche
- 30
- Kommutator
- 32
- Innenbohrung
- 34
- Lageraufnahme
- 38
- Ringraum
- 40
- Ringraum
- 42
- Zulaufkanal
- 44
- Ablaufkanal
- 46
- Innenumfangsfläche
- 48
- Nocke
- 50
- Zulaufsteuerfenster
- 52
- Ablaufsteuerfenster
- 54
- Rolle
- 56
- Aktuator
- 58
- Mitnehmer
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19832196
A1 [0002]
- - DE 3637174 A1 [0004]
- - US 4724742 [0004]
- - DE 19832696 A1 [0018]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - "Grundlagen
der Hydraulik"; Horst-W. Grollius; Fachbuchverlag Leipzig; 3. aktualisierte
Auflage; 2006" [0006]