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Hydraulische Druckausgleichseinrichtung an den Kolbengleitschuhen
von hydraulischen Axialkolbenmaschinen Die Erfindung bezieht sich auf eine hydraulische
Druckausgleichseinrichtung an den Kolbengleitschuhen von hydraulischen Axialkolbenmaschinen,
deren Gleitschuhe durch ein gegen Axialverschiebung gesichertes Führungsglied über
die Gleitschuhauflagefläche bewegt bzw. bei umlaufender Auflagefläche gegen Mitnahme
durch diese gehalten werden, wobei die Gleitschuhe im Führungsglied axial verschiebbar
sind. Das Führungsglied ist entweder ein umlaufender Triebflansch oder eine umlaufende
oder nicht umlaufende Haltescheibe.
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Bei derartigen Maschinen wird der Kolbengleitschuh vom Kolben mit
beträchtlicher Kraft an die Auflagefläche angedrückt, wodurch sich eine verhältnismäßig
große Abnutzung sowohl an der Auflagefläche als auch an der auf dieser bewegten
Gleitschuhfläche ergibt, welche die Lebensdauer derartiger Maschinen beeinträchtigt.
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Um diesen Nachteil zu verringern, ist es bekannt, in den Gleitflächen
der Kolbengleitschuhe Druckausgleichsfelder vorzusehen. Die Größe dieser Druckausgleichsfelder
ist jedoch durch die Größe der Gleitschuhe beschränkt, die aus konstruktiven Gründen
nicht beliebig groß gemacht werden können.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die Abstützkräfte jedes
Kolbens auf dessen Auflagefläche - unabhängig von der Größe der Gleitschuhe - zu
verringern und dadurch die Lebensdauer der Maschine zu verlängern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine von dem Führungsglied
und dem Gleitschuh begrenzte Druckkammer gelöst, die mit einer Druckflüssigkeitsquelle
in Verbindung steht und in welcher die Druckflüssigkeit im Sinne eines Abhebens
des Gleitschuhes von der Auflagefläche wirkt. Auf diese Weise wird der Kolbenschub
- unabhängig von der Größe des Gleitschuhes - zumindest zum Teil von dem Führungsglied
bzw. dem Axialdrucklager, das das Führungsglied gegen Axialverschiebung sichert,
aufgenommen. Selbstverständlich muß die von dem Druck in der Druckkammer auf den
Gleitschuh ausgeübte Kraft stets kleiner sein als der Kolbenschub, damit der Gleitschuh
nicht von der Auflagefläche abgehoben wird.
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Bei Axialkolbenmaschinen, bei denen das Führungsglied ein umlaufender,
mit einer Triebwelle fest verbundener Triebflansch ist, ergibt die Erfindung den
weiteren Vorteil, daß die Triebwelle eine axiale Belastung erhält, die Vibrationen
der Triebwelle verringert.
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Bei Axialkolbenmaschinen anderer Bauart, bei denen das Führungsglied
kein Drehmoment auf die Gleitschuhe ausübt bzw. kein Abstützmoment von den Gleitschuhen
aufzunehmen hat, ist es bekannt, die Gleitschuhe über das Führungsglied durch Federn
an die Auflagefläche anzudrücken. Dadurch wird gerade das Gegenteil von dem erreicht,
was die Erfindung bezweckt.
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Als Druckflüssigkeitsquelle dient vorzugsweise der Arbeitsraum des
zugehörigen Zylinders, in dem der Arbeitskolben verschiebbar ist, da hierdurch ein
bestimmtes Verhältnis zwischen dem Druck in der Druckkammer und dem Kolbenschuh
selbsttätig erhalten wird.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an einer hydrostatischen
Axialkolbenpumpe unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigt F i g.
1 einen Längsschnitt durch die Pumpe und F i g. 2 die Gleitschuhlagerung im Führungsglied
in größerem Maßstab.
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In der Pumpe läuft eine Zylindertrommel 1 an einen Steuerspiegelkörper
2 an, der zwei nierenförmige Steueröffnungen 3 und 4 aufweist. Die Zylindertrommel
l ist drehbar auf einem im Steuerspiegelkörper 2 befestigten Mittelzapfen 5 gelagert.
In der Zylindertrommel l sind mehrere Zylinderbohrungen 6 angeordnet, die je einen
Kolben 7 enthalten. Von jeder Zylinderbohrung 6 geht ein Kanal 8 aus,
der
bei Drehung der Zylindertrommel 1 abwechselnd mit der einen und der anderen Steueröffnung
3, 4 in Verbindung kommt. Jeder Kolben 7 weist ein Sackloch 9 auf, in das
eine Kolbenstange 11 eingesetzt ist. Die Kolbenstange 11 liegt am Kolben 7 auf einer
Kugelfläche 12 an, die Schwenkbewegungen der Kolbenstange 11 gegenüber dem Kolben
7 zuläßt. Die Kolbenstange 11 ist im Sackloch 9 durch einen Sprengring 13 gehalten.
Das andere Ende jeder Kolbenstange 11 trägt einen Kugelkopf 15, der
in einen Gleitschuh 16 eingesetzt ist. Jeder Gleitschuh 16 liegt mit einer
Fläche 32 auf einer Gleitschuhauflagefläche 17 auf, die ein Teil eines
Lagergehäuses 22 für eine Antriebswelle 23 ist. Mit der Welle
23
einstückig ist ein Triebflansch 24, der ein Führungsglied für die
Gleitschuhe 16 bildet, um diese über die Auflagefläche 17 zu bewegen.
Der Triebflansch 24
weist Bohrungen 25 auf, die der Anzahl und Lage der Zylinderbohrungen
6 entsprechen. Jede Bohrung 25 nimmt einen Gleitschuh 16 auf.
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Der Steuerspiegelkörper 2 und die Zylindertrommel 1 sind mit dem Lagergehäuse
22 durch zwei Arme 28 verbunden, die vom Steuerspiegelkörper 2 ausgehen und auf
Schwenkzapfen 29, die in Fortsätze 31 des Lagergehäuses 22 eingreifen,
drehbar gelagert sind. Eine Verschwenkung des Steuerspiegelkörpers 2 und der Zylindertrommel
1 um die Zapfen 29 verändert die Schrägstellung zwischen den Drehachsen des Flansches
24 und der Zylindertrommel 1 und damit den Hub der Kolben 7 in ihren Zylinderbohrungen
6. Die gemeinsame Achse der Zapfen 29 bildet einen Durchmesser des Kreises, auf
dem die Mitten der Kugelköpfe 15 liegen.
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Die Gleitfläche 32 jedes Gleitschuhes 16, die auf der Fläche 17 gleitet,
ist kreisförmig und enthält eine kreisförmige Aussparung 33. Der Arbeitsraum der
zugehörigen Zylinderbohrung 6 ist durch eine Bohrung 34 im Kolben 7, eine Bohrung
35 durch die Kolbenstange 11 und eine Drosselstelle 36 im Gleitschuh
16 mit der Aussparung 33 verbunden. Wenn in der zugehörigen Zylinderbohrung 6 der
Druckhub stattfindet, erhält die Aussparung 33 auf diese Weise Druckflüssigkeit,
wodurch ein hydrostatisches Lager zwischen der Auflagefläche 17 und der Gleitschuhfläche
32 gebildet wird.
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Jede Bohrung 25 im Triebflansch 24 endet an einem Absatz 37,
von dem eine Bohrung 38 geringeren Durchmessers sich zur entgegengesetzten Seite
des Triebflansches erstreckt. Die Außenfläche jedes Gleitschuhes 16 setzt
sich aus einer Zylinderfläche 39
kleineren Durchmessers zusammen, die durch
einen großen Durchmessers und einer Zylinderfläche 42
Absatz 41 voneinander
getrennt sind. Die Durchmesser der Zylinderfläche 39 und der Bohrung 25 sowie die
Durchmesser der Zylinderfläche 42 und der Bohrung 38 sind jeweils
gleich in dem Maße, daß der Gleitschuh 16 axial im Triebflansch verschiebbar ist.
Die Absätze 37 und 41 begrenzen zusammen mit der Zylinderfläche 42 des Gleitschuhes
und der Bohrung 25 einen Ringraum 40. Dieser Ringraum 40 ist
durch einen Kanal 43 im Gleitschuh mit der Anströmseite der Drosselstelle
36 verbunden. Jeder Gleitschuh 16 ist durch einen Sprengring 44 in seiner Bohrung
25 gesichert.
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Es ist notwendig, daß die Triebwelle 23 und der Triebflansch
24 im Lagergehäuse 22 gegen Axialverschiebung gesichert sind. Zu diesem
Zweck ist auf der Welle 23 ein Zahnrad 45 befestigt, das ein Teil einer Zahnradpumpe
und gleichzeitig ein Axialdrucklager für die Welle 23 bildet. Die Zahnradpumpe fördert
Flüssigkeit unter geringem Druck in die Ansaugöffnung 3 oder 4. Das Zahnrad 45 läuft
in einer Aussparung 46 im Gehäuse 22 um und ist auf der Welle 23 zwischen
einer Schulter 47 der Welle und einem Sprengring 48 befestigt. Dadurch, daß
das Zahnrad 45 einerseits unverschiebbar auf der Welle 23 und andererseits eng in
seinem Gehäuse angeordnet ist, wird eine axiale Fixierung der Welle 23 erreicht.
Das Zahnrad 45 ist durch einen Keil 49 drehfest mit der Welle 23 verbunden.
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Eine Drehung der Antriebswelle 23 verursacht eine Drehung des Triebflansches
24, der seinerseits die Gleitschuhe 16 und die Kugelköpfe 15 in einer
kreisförmigen Bahn um die Drehachse der Welle 23
bewegt. Diese Drehung verursacht
eine geringfügige Schrägstellung der Kolbenstangen 11 in ihrem Kolben 7,
bis eine Kolbenstange nach der anderen an der Seitenwand des Sackloches 9 des Kolbens
7 anliegt, wodurch die Zylindertrommel l mitgenommen wird. Um eine Hin- und Herbewegung
der Kolben 7 zu verursachen, werden die Zylindertrommel l und der Steuerspiegelkörper
2 um die Zapfen 29 verschwenkt, so daß die Drehachsen der Zylindertrommel 1 und
der Welle 23 zueinander schräg stehen. Flüssigkeit tritt durch eine der Steueröffnungen
3 und 4 ein und wird unter Druck durch die andere Steueröffnung ausgeschoben.
Etwas Druckflüssigkeit kann beim Druckhub zu der Aussparung 33 im betreffenden Gleitschuh
16 gelangen. Der von jedem Kolben 7 ausgeübte Druck drückt die Gieitschuhfläche
32 gegen die Auflagefläche 17. Die der Aussparung 33 zugeführte Druckflüssigkeit
erzeugt einen Teil einer Ausgleichskraft, welche der parallel zur Wellenachse gerichteten
Komponente des Kolbendruckes entgegenwirkt. Die Querschnittsfläche der Aussparung
33 ist geringfügig kleiner als die Querschnittsfläche des Kolbens 7. Die Druckflüssigkeit,
die durch den Kanal 35 fließt, gelangt durch den Kanal 43 auch in den Ringraum
40, um eine Kraft auf den Gleitschuh 16 auszuüben, die ebenfalls zum Teil
dem Kolbendruck parallel zur Wellendrehachse entgegenwirkt. Die Kraft, die durch
den Flüssigkeitsdruck in der Aussparung 33 erzeugt wird, hängt von der Leckströmung
über die Fläche 32 und dem Druckabfall an der Drosselstelle 36 ab. Mit größer werdendem
Spalt zwischen den Flächen 17 und 32 erhöht sich die Leckmenge, wodurch der Druck
in der Aussparung 33 verringert wird und umgekehrt. Dadurch wird bewirkt, daß die
parallel zur Wellendrehachse gerichtete Komponente des Kolbendruckes durch die Summe
der hydraulischen Kräfte im Ringraum 40 und in der Aussparung 33 genau ausgeglichen
wird.
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Der hydraulische Druck im Ringraum 40 erzeugt außer der auf
den Gleitschuh 16 wirkenden Kraft auch eine gleich große; jedoch entgegengesetzt
gerichtete Schubkraft auf den Triebflansch 24. Die Gesamtheit dieser Kräfte für
alle Gleitschuhe, die mit im Druckhub befindlichen Kolben verbunden sind, wirkt
auf die Welle 23 im Sinne einer Axialkraft, die durch die Anlage des Zahnrades 45
in seinem Gehäuse 22 aufgenommen wird.
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Der durch die Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, daß der hydraulische
Schub auf die im Druckhub befindlichen Kolben 7 zum Teil von den Gleitschuhen 16,
die mit diesen Kolben verbunden sind
und zum Teil von dem durch
das Zahnrad 45 gebildeten Axialdrucklager aufgenommen wird. Durch diese Verteilung
der Belastung der unter Druck stehenden Kolben wird die Abnutzung an den Gleitschuhflächen
32 verringert und die Lebensdauer der Pumpe vergrößert. Die Sprengringe 44 halten
die Gleitschuhe 16 in ihren Bohrungen 25, so daß ein Formschluß besteht, über den
die Kolben beim Saughub nach außen gezogen werden. Dies kann notwendig sein, wenn
die Pumpe ohne Zufuhr von Niederdruckflüssigkeit zu ihrer Ansaugöffnung arbeiten
muß.
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Obgleich im beschriebenen Ausführungsbeispiel ein hydrostatisches
Lager zwischen jedem Gleitschuh 16 und der Auflagefläche 17 gezeigt ist, kann naturgemäß
jedes beliebige andere Lager an dieser Stelle vorgesehen sein. Das Lager kann beispielsweise
als hydrodynamisches Lager ausgebildet sein, wobei Flüssigkeit durch die Gleitbewegung
der Gleitschuhe über die Fläche 17 in den Spalt zwischen dieser Fläche 17
und der Gleitschuhfläche 32 hineingezogen wird.
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Im Ausführungsbeispiel werden die Gleitschuhe von einem Triebflansch
mitgenommen und über eine ebene schiefe Auflagefläche bewegt. Die Erfindung ist
aber auch bei Taumelscheibenmaschinen anwendbar, bei denen die Gleitschuhe feststehen
und die Auflagefläche der Taumelscheibe umläuft. Auch kann die Auflagefläche sphärisch
statt eben sein.