DE102009056903A1

DE102009056903A1 - Hydraulische Kolbenmaschine, insbesondere wasserhydraulische Maschine

Info

Publication number: DE102009056903A1
Application number: DE102009056903A
Authority: DE
Inventors: Ove Thorboel Hansen
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 2009-12-03
Filing date: 2009-12-03
Publication date: 2011-06-09
Also published as: US9915248B2; CN102086852B; CN102086852A; US20110135507A1

Abstract

Es wird eine hydraulische Kolbenmaschine, insbesondere eine wasserhydraulische Maschine, angegeben mit mindestens einem Zylinder, in dem ein Kolben (4) hin und her bewegbar angeordnet ist, wobei der Kolben (4) einen von einer Ringwand umgebenen Hohlraum mit einem offenen Ende aufweist.
Man möchte Kavitation klein halten können.
Hierzu ist vorgesehen, dass im Hohlraum ein Füllkörper (13) angeordnet ist, wobei der Füllkörper (13) mindestens einen radialen Vorsprung (22) und die Ringwand (16) mindestens eine radiale Vertiefung (17) in ihrer dem Hohlraum zugewandten Innenseite aufweist oder die Ringwand (16) einen radialen Vorsprung und der Füllkörper (13) eine radiale Vertiefung aufweist, wobei die Vertiefung zumindest an ihrem offenen Ende (18) des Hohlraums benachbarten Ende eine Begrenzung aufweist, und der Vorsprung (22) und die Vertiefung (17) in Eingriff miteinander stehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Kolbenmaschine, insbesondere eine wasserhydraulische Maschine, mit mindestens einem Zylinder, in dem ein Kolben hin und her bewegbar angeordnet ist, wobei der Kolben einen von einer Ringwand umgebenen Hohlraum mit einem offenen Ende aufweist.
Eine derartige Kolbenmaschine ist aus DE 10 2004 043 745 B3 bekannt.
Der Hohlraum des Kolbens ist günstig, weil er die Masse des Kolbens gegenüber einem massiven Kolben vermindert. Allerdings kann man, wenn man eine derartige Kolbenmaschine als Pumpe für Wasser einsetzt, beobachten, dass eine Kavitation im Hohlraum auftritt. Man geht davon aus, dass der Unterdruck zu groß wird, da man die Flüssigkeit nicht schnell genug bewegen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Kavitation klein zu halten.
Diese Aufgabe wird bei einer hydraulischen Kolbenmaschine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass im Hohlraum ein Füllkörper angeordnet ist, wobei der Füllkörper mindestens einen radialen Vorsprung und die Ringwand mindestens eine radiale Vertiefung in ihrer dem Hohlraum zugewandten Innenseite aufweist oder die Ringwand einen radialen Vorsprung und der Füllkörper eine radiale Vertiefung aufweist, wobei die Vertiefung zumindest an ihrem dem offenen Ende des Hohlraums benachbarten Ende eine Begrenzung aufweist, und der Vorsprung und die Vertiefung in Eingriff miteinander stehen.
Durch diese Ausbildung kann man einen Füllkörper in dem Kolben verwenden, der im Idealfall verhindert, dass Flüssigkeit, insbesondere Wasser, in den Hohlraum eintritt und dort bei entstehenden Unterdrücken zu Kavitationen führt. Allerdings führt auch eine Verminderung der in den Hohlraum eintretenden Flüssigkeit bereits zu einer geringeren Kavitation. Durch die spezielle Anpassung von Kolben und Füllkörper aneinander wird eine einfache Herstellbarkeit gewährleistet. Man kann den Füllkörper einfach in den Kolben einpressen. Nach dem erfolgten Einsetzen des Füllkörpers in den Kolben ist der Füllkörper formschlüssig im Kolben gehalten, ohne dass weitere Befestigungselemente notwendig sind. Insbesondere in Verbindung mit Wasser als Hydraulikflüssigkeit machen beispielsweise Befestigungselemente aus Metall vielfach Probleme. Sie unterliegen einer Korrosion und können unter Umständen nach einer gewissen Betriebszeit ihre Haltefunktion nicht mehr erfüllen.
Die Verwendung eines Füllkörpers im Kolben ist in Verbindung mit ölhydraulischen Maschinen bekannt. Hier ist allerdings die Kompressibilität in der Regel größer. Damit werden auch Verluste größer und bei ölhydraulischen Maschinen versucht man mit dem Füllkörper das Todvolumen zu vermindern. Beispiele sind beispielsweise in US 5 007 332 gezeigt, wo man eine Tellerfeder zum Befestigen des Füllkörpers verwendet. Eine derartige Tellerfeder unterliegt aber, wie oben erwähnt, der Gefahr einer Korrosion.
Aus US 5 072 655 ist es bekannt, den Kolben mit einer radial einwärts vorspringenden Schulter zu versehen, die in eine Ringnut am Füllkörper eingreift. Dadurch wird allerdings die Kolbenwand verändert, so dass es unter Umständen schwierig sein kann, die notwendige Dichtigkeit herzustellen.
Bei einer Ausgestaltung nach DE 71 08 800 U1 wird die Kolbenwand am offenen Ende des Hohlraums nach innen umgebördelt. Auch dies erfordert eine Verformung des Kolbens, die sich negativ auf die Lauf- und Betriebseigenschaften in der Maschine auswirken kann.
Vorzugsweise ist die Vertiefung ringförmig umlaufend ausgebildet. In diesem Fall ist es nicht erforderlich, beim Einsetzen des Füllkörpers in den Hohlraum auf eine winkelmäßige Ausrichtung von Kolben und Füllkörper relativ zueinander zu achten.
Weiter ist es von Vorteil, wenn der Vorsprung in Umfangsrichtung umlaufend ausgebildet ist. In diesem Fall nutzt man den gesamten Umfang des Füllkörpers, um die gewünschte Haltekraft für den Füllkörper im Kolben auszubilden.
Vorzugsweise ist die Begrenzung als Stufe ausgebildet. Eine derartige Stufe gibt einen ausreichenden Widerstand gegen ein Herausbewegen des Füllkörpers aus dem Kolben. Der Vorsprung des Füllkörpers liegt an der Stufe an und verhindert somit eine Bewegung des Füllkörpers nach außen. Gleiches gilt, wenn der Vorsprung an der Ringwand ausgebildet ist.
Vorzugsweise schließt die Stufe einen Winkel von mindestens 90° mit der Achse des Kolbens ein. Die Stufe kann auch etwas geneigt sein, so dass sich das radial innere Ende der Stufe in den Füllkörper eingraben kann, wenn der Füllkörper in den Hohlraum des Kolbens eingesetzt ist.
Bevorzugterweise weist das freie Ende des Hohlraums eine konische Aufweitung auf. Dies erleichtert das Einsetzen des Füllkörpers. Die konische Aufweitung bewirkt, dass zumindest der Vorsprung des Füllkörpers beim Einsetzen in den Hohlraum radial komprimiert wird. Sobald der Vorsprung die Vertiefung erreicht, kann der Vorsprung radial wieder expandieren und der Füllkörper ist formschlüssig im Kolben gehalten.
Vorzugsweise bildet der Vorsprung mit dem dem freien Ende des Hohlraums benachbarten Ende des Füllkörpers eine gemeinsame Stirnseite. Der Füllkörper hat also an dieser Stirnseite keine Stufe. Dies hat zwar zur Folge, dass der Füllkörper nach dem Einsetzen gegenüber dem offenen Ende des Kolbens etwas vertieft angeordnet ist. Man kann aber beim Eindrücken des Füllkörpers in den Kolben über eine relativ große Querschnittsfläche die notwendigen Kräfte auf den Füllkörper aufbringen, so dass die Gefahr einer Beschädigung beim Einpressen des Füllkörpers in den Kolben klein bleibt.
Vorzugsweise beträgt die radiale Erstreckung des Vorsprungs maximal 5%, insbesondere maximal 3% und vorzugsweise maximal 2,5% des Durchmessers des Füllkörpers. Eine radiale Erstreckung von wenigen Prozenten reicht aus, um den Füllkörper sicher im Hohlraum festzuhalten. Die Kräfte, die auf den Füllkörper wirken, sind im allgemeinen auch bei radial relativ kleinen Vorsprüngen beherrschbar.
Bevorzugterweise weist der Vorsprung gegenüber der Vertiefung in axialer Richtung ein Untermaß und in radialer Richtung ein Übermaß auf, solange der Kolben und der Füllkörper getrennt sind. In diesem Fall kann der Vorsprung, wenn er beim Einpressen des Füllkörpers in den Hohlraum die Vertiefung erreicht, in radialer Richtung nicht mehr vollständig expandieren. Das dann ”überflüssige” Volumen des Vorsprungs dehnt sich in axialer Richtung aus, wo aufgrund des Untermaßes noch Volumen zur Verfügung steht. Auf diese Weise kann man dafür sorgen, dass der Vorsprung die Vertiefung auch in axialer Richtung vollständig ausfüllt, so dass der Füllkörper in axialer Richtung spielfrei im Kolben gehalten ist.
Bevorzugterweise weist die Vertiefung einen Boden auf, der mit einer Parallelen zur Achse des Kolbens einen spitzen Winkel einschließt, wobei mehrere Vertiefungen in einer Reihe parallel zur Achse des Kolbens aufeinander folgen. In diesem Fall kann es zweckmäßig sein, dass der Vorsprung in axialer Richtung länger ist als eine Vertiefung. Die Abfolge der Vertiefungen bilden eine tannenbaumartige Struktur, in die der Vorsprung dann eingepresst wird. Dadurch ergeben sich relativ viele Haltestufen, die dann den Füllkörper zuverlässig im Hohlraum des Kolbens festhalten.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit einer Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:
1 eine hydraulische Axialkolbenmaschine in stark schematisierter Form,
2 eine erste Ausführungsform eines Kolbens mit Füllkörper und
3 eine zweite Ausführungsform eines Kolbens mit Füllkörper.
Eine hydraulische Axialkolbenmaschine 1 weist eine in einem Gehäuse 2 drehbar gelagerte Zylindertrommel 3 auf. In der Zylindertrommel 3 sind Kolben 4 in Axialrichtung beweglich gelagert. Es ist lediglich ein Kolben 4 erkennbar. Alle anderen Kolben 4 befinden sich außerhalb der Schnittebene. Die Kolben 4 sind hierbei mit einem Gleitschuh 5 auf einer Schrägscheibe 6 geführt. Der Gleitschuh 5 wird hierbei durch eine Druckplatte 7 in Anlage an der Schrägscheibe 6 gehalten. Die Druckplatte 7 liegt über eine Kugel 8 an einem Ende eines in der Zylindertrommel 3 aufgenommenen Druckkolbens 9 an. Der Druckkolben 9 ist durch eine in Axialrichtung wirkende Feder 10 belastet, d. h. er wird in Richtung auf die Schrägscheibe 10 gedrückt.
Der Kolben 4 ist vorzugsweise aus rostfreiem Stahl gebildet. In Abhängigkeit von den Bedingungen, unter denen die Maschine eingesetzt werden soll, insbesondere den Drücken, Medien und Konstruktionen, kann man auch andere Materialien verwenden, insbesondere Kunststoff.
Wie allgemein bekannt ist, werden bei einer Rotation der Zylindertrommel 3 die Kolben 4 in Axialrichtung hin- und herbewegt. Da die Druckplatte 7 immer parallel zur Schrägscheibe 6 bleiben muss, führt sie eine fortlaufende Kippbewegung gegenüber der Zylindertrommel 3 aus. Die Kugel 8 stellt hierbei eine gelenkige Verbindung zwischen der Druckplatte 7 und der Zylindertrommel 3 dar. Jeder Gleitschuh 5 kippt um eine Kugel 11, die an dem aus der Zylindertrommel 3 herausragenden Ende des Kolbens 4 angeordnet ist.
Die Maschine 1 soll mit Wasser als Hydraulikflüssigkeit betrieben werden. Sie soll auch eine hohe Förderleistung haben, wenn sie als Pumpe eingesetzt wird. Unter einer hohen Förderleistung werden Volumina ab 30 m³/h angesehen. Allerdings können bei einer derartigen Verwendung Probleme dadurch entstehen, dass im Kolben 4, der aus Gewichtsersparnisgründen einen Hohlraum 12 aufweist (2b) Kavitationen auftreten, weil der Unterdruck zu groß wird, weil sich die Flüssigkeit nicht schnell genug bewegen kann. Aus diesem Grund ist in dem Hohlraum 12 des Kolbens 4 ein Füllkörper 13 angeordnet, der auch als Füllstück bezeichnet werden kann. Die weitere Erläuterung erfolgt anhand der 2 und 3. An dieser Stelle soll aber bemerkt werden, dass die gleichen Probleme nicht nur bei Axialkolbenmaschinen auftreten, sondern auch bei Radialkolbenmaschinen und im Grunde bei allen hydraulischen Maschinen, bei denen Kolben hin- und herbewegt werden und vor allem solche, bei denen Wasser als Hydraulikflüssigkeit verwendet wird.
2a zeigt noch einmal den Kolben 4 mit dem in den Hohlraum 12 eingesetzten Füllkörper 13 und der Kugel 11. Die Kugel 11 ist von einem Kanal 14 durchsetzt, der in den Hohlraum 12 mündet. Über diesen Kanal wird Flüssigkeit der Berührungsfläche zwischen dem Gleitschuh 5 und der Kugel 11 zugeführt. Um diese Flüssigkeitsversorgung, die zur Schmierung dient, auch bei eingesetztem Füllkörper 13 aufrecht zu erhalten, weist der Füllkörper 13 einen durchgehenden Kanal 15 auf. Der Kanal 15 muss allerdings nicht, wie dargestellt, mittig angeordnet sein. Er kann auch außerhalb zu einer Achse 20 des Kolbens 4 angeordnet sein oder durch einen Freiraum gebildet werden, der zwischen dem Füllkörper 13 und der Innenwand 16 ausgebildet ist. Ein derartiger Freiraum kann beispielsweise durch eine Axialnut im Füllkörper 13 und/oder der Innenwand 16 gebildet sein.
Der Füllkörper 13 ist aus einem Kunststoff gebildet. Beispielsweise aus Polypropylen. Man kann auch einen anderen Kunststoff für den Füllkörper 13 verwenden, vor allem einen Kunststoff, der volumenkonstant ist.
Der Kolben 4 weist in der Innenwand 16 des Hohlraums 12 eine vorzugsweise umlaufende Vertiefung 17 in Form einer Nut auf, die an ihrem dem offenen Ende 18 des Hohlraums 12 benachbarten Ende eine Begrenzung 19 in Form einer Stufe aufweist. Die Stufe verläuft beispielsweise rechtwinklig zur Achse 20 des Kolbens 4. Sie kann jedoch auch einen spitzen Winkel mit der Achse so einschließen, dass sich eine Hinterschneidung ergibt.
Der Hohlraum 12 öffnet sich an seinem offenen Ende 18 mit einer Konusfläche 21. Die Konusfläche 21 schließt mit der Achse 20 einen Winkel von beispielsweise 10 bis 20°, insbesondere 10 bis 15° ein. Die Differenz zwischen dem kleinsten Durchmesser und dem größten Durchmesser der Konusfläche 21 ist größer als die radiale Erstreckung der Vertiefung 17.
Der Füllkörper 13, der vergrößert in 2c dargestellt ist, weist einen radialen Vorsprung 22 auf, der mit einer Stirnseite 23, die dem offenen Ende 18 des Hohlraums 12 benachbart ist, auf. Die Stirnseite 23 schließt bündig mit dem Vorsprung 22 ab. Der Vorsprung 22 ist vorzugsweise umlaufend ausgebildet. Wenn der Kanal 15 als Nut im Füllkörper 13 ausgebildet ist, dann ist der Vorsprung 22 hier unterbrochen. Die axiale Erstreckung des Vorsprungs 22 ist etwas geringer als die axiale Erstreckung der Vertiefung 17, d. h. der Vorsprung 22 hat in axialer Richtung ein Untermaß gegenüber der Vertiefung 17.
In radialer Richtung hat der Vorsprung 22 eine Erstreckung, die etwas größer ist als die radiale Erstreckung der Vertiefung 17. Mit anderen Worten hat der Vorsprung 22 in radialer Richtung ein Übermaß gegenüber der Vertiefung 17. Dies gilt allerdings nur solange, wie der Füllkörper 13 vom Kolben 4 getrennt ist. Im Übrigen hat der Füllkörper 13 einen Außendurchmesser, der praktisch mit dem Innendurchmesser des Hohlraums 12 übereinstimmt, so dass der Füllkörper 13 problemlos in den Hohlraum 12 des Kolbens 4 eingesetzt werden kann. Ein kleines Spiel ist zulässig, so dass der Füllkörper 13 in den Kolben 4 hineinbewegt werden kann.
Wenn der Füllkörper 13 so weit in den Kolben 4 hineinbewegt worden ist, dass der Vorsprung 22 an der Konusfläche 21 zur Anlage kommt, dann wird durch eine weiter wirkende Presskraft der Vorsprung 22 in radialer Richtung komprimiert. Wenn der Füllkörper 13 dann weiter vorgeschoben wird und der Vorsprung 22 in Überdeckung mit der Vertiefung 17 kommt, dann kann der Vorsprung 22 wieder expandieren. Allerdings kann er nicht wieder zu seiner ursprünglichen radialen Größe expandieren, weil die etwas geringere radiale Erstreckung der Vertiefung 17 dies nicht zulässt. Das somit eigentlich ”überflüssige” Material dehnt sich dann in axialer Richtung aus, so dass der Vorsprung 22 die Vertiefung 17 in axialer Richtung vollständig ausfüllt. Der Füllkörper 13 ist dann im Bereich der Vertiefung 17 formschlüssig im Kolben 4 gehalten und zwar sowohl in axialer Richtung als auch in radialer Richtung. Ein Lösen des Füllkörpers 13 aus dem Kolben 4 ist daher nicht zu befürchten.
In nicht näher dargestellter Weise kann man die Anordnung von Vertiefung 17 und Vorsprung 22 auch vertauschen, so dass die Vertiefung 17 in der Umfangswand des Füllkörpers 13 und der Vorsprung 22 in der radialen Innenseite der Umfangswand 16 angeordnet ist. Die Wirkung ist praktisch dieselbe.
3 zeigt eine abgewandelte Ausgestaltung. Hier sind mehrere Vertiefungen 17 vorgesehen, die parallel zur Achse 20 in einer Reihe hintereinander angeordnet sind. Jede Vertiefung 17 weist einen Boden 24 auf, der mit der Achse 20 einen spitzen Winkel einschließt. Jede Vertiefung 17 hat dann an ihrem vom offenen Ende 18 weg weisenden Ende praktisch den Innendurchmesser des Hohlraums 12.
Der Füllkörper 13 weist einen Vorsprung 22 auf, der ebenfalls umlaufend ausgebildet ist und an seiner vom offenen Ende 18 weg weisenden Ende einen Konusabschnitt 25 aufweist. Der Konuswinkel des Konusabschnitts 25 kann genauso groß sein, wie der Konuswinkel der Konusfläche 21. Er kann auch etwas kleiner sein.
Die Vertiefungen 17 bei der Ausgestaltung des Kolbens 4 nach 3a bilden eine Art tannenbaumartige Struktur. Wenn der Füllkörper 13 in den Hohlraum 12 eingepresst wird, dann ergeben sich am Vorsprung 22 eine Reihe von zickzackartigen Vertiefungen im Vorsprung 22, so dass der Füllkörper 13 hier ebenfalls durch Formschluss im Kolben 4 gehalten ist. Jede Vertiefung 17 weist auch hier eine Begrenzung 19 in Form einer Stufe auf, wobei die Höhe der Stufe auch hier relativ klein ist.
In allen Fällen weist der Vorsprung 17 eine radiale Erstreckung auf, die maximal 5% vorzugsweise sogar noch weniger, nämlich beispielsweise maximal 3% oder sogar maximal 2,5% des Durchmessers des Füllkörpers 13 beträgt. Eine größere radiale Erstreckung bringt praktisch keine zusätzlichen Vorteile.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004043745 B3 [0002]
US 5007332 [0007]
US 5072655 [0008]
DE 7108800 U1 [0009]

Claims

Hydraulische Kolbenmaschine, insbesondere wasserhydraulische Maschine, mit mindestens einem Zylinder, in dem ein Kolben (4) hin und her bewegbar angeordnet ist, wobei der Kolben (4) einen von einer Ringwand umgebenen Hohlraum (12) mit einem offenen Ende (18) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Hohlraum (12) ein Füllkörper (13) angeordnet ist, wobei der Füllkörper (13) mindestens einen radialen Vorsprung (22) und die Ringwand (16) mindestens eine radiale Vertiefung (17) in ihrer dem Hohlraum (12) zugewandten Innenseite aufweist oder die Ringwand (16) einen radialen Vorsprung und der Füllkörper (13) eine radiale Vertiefung aufweist, wobei die Vertiefung zumindest an ihrem dem offenen Ende (18) des Hohlraums (12) benachbarten Ende eine Begrenzung (19) aufweist, und der Vorsprung (22) und die Vertiefung (17) in Eingriff miteinander stehen.
Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (17) ringförmig umlaufend ausgebildet ist.
Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (22) in Umfangsrichtung umlaufend ausgebildet ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzung (19) als Stufe ausgebildet ist.
Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufe einen Winkel von mindestens 90° mit der Achse (20) des Kolbens (4) einschließt.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das offene Ende (18) des Hohlraums (16) eine Konusfläche (21) bildet.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (22) mit dem dem offenen Ende (18) des Hohlraums (12) benachbarten Ende des Füllkörpers (13) eine gemeinsame Stirnseite bildet.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Erstreckung des Vorsprungs (22) maximal 5%, insbesondere maximal 3 und vorzugsweise maximal 2,5% des Durchmessers des Füllkörpers (13) beträgt.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (22) gegenüber der Vertiefung (17) in axialer Richtung ein Untermaß und in radialer Richtung ein Übermaß aufweist, solange der Kolben (4) und der Füllkörper (13) getrennt sind.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (17) einen Boden (24) aufweist, der mit einer Parallelen zur Achse (20) des Kolbens (4) einen spitzen Winkel einschließt, wobei mehrere Vertiefungen (17) in einer Reihe parallel zur Achse (20) des Kolbens (4) aufeinander folgen.