DE19838897C2 - Axialkolbenmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine mit einem Gehäuse und einer darin gelagerten Welle, mit einer koaxial zur Welle angeordneten Trommel, die eine Mehrzahl von sich parallel zur Welle erstreckenden Zylinderbohrungen für darin geführte Kolben aufweist, mit einer Schräg- oder Taumelscheibe, an der die Kolben abgestützt sind, wobei die Trommel und die Schräg- oder Taumelscheibe relativ zueinander drehbar sind, und mit einer an der kolben­ abgewandten Stirnseite der Trommel angeordneten, relativ zur Trommel dreh­ baren Steuerscheibe, die durch gehäuseseitig wirkende Stützkräfte gegen die Stirnseite gedrückt wird und Steueröffnungen aufweist, welche die Zylinder­ bohrungen abwechselnd mit einer Druckquelle und einem Tank verbinden, wobei die Zylinderbohrungen ohne Querschnittsverjüngungen an der Stirn­ seite münden und die radiale Weite der Steueröffnungen gleich oder größer ist als der Durchmesser der Zylinderbohrungen.

Derartige Axialkolbenmaschinen können als Pumpe oder als Motor betrieben werden. Es gibt Ausführungen, bei denen die Trommel mit der Welle verbun­ den ist und mit dieser rotiert, während die Schräg- oder Taumelscheibe und die Steuerscheibe gehäusefest angeordnet sind. Bei anderen Ausführungen ist die Trommel gehäusefest angeordnet und die Schräg- oder Taumelscheibe sowie die Steuerscheibe sind mit der Welle verbunden und rotieren mit dieser. Als Tank wird auch die Saugseite bei geschlossenen Systemen verstanden.

Bei einer bekannten Axialkolbenmaschine (EP 0 015 127 A1) sind die Zylin­ derbohrungen auf der der Steuerscheibe zugewandten Seite bis auf eine klei­ ne Durchtrittsöffnung geschlossen. Diese kleine Durchtrittsöffnung wirkt als Drossel, die den Durchfluß des Druckmediums in die Zylinderbohrung oder aus dieser heraus wesentlich behindert und damit die Leistung der Maschine begrenzt. Die Steuerscheibe weist Steueröffnungen mit entsprechend kleinen Querschnitten auf, die teilweise am Umfang der Steuerscheibe münden, so daß die Steuerscheibe vom Druckmittel umspült wird. Die notwendige An­ drückkraft der Steuerscheibe wird durch ein System von Zylinder- Kolbenanordnungen und Druckmittelkanälen erzeugt, die in einem gesonder­ ten Gehäusebauteil untergebracht sind. Das ist nicht nur konstruktiv aufwen­ dig, sondern führt zu einer größeren Baulänge in axialer Richtung.

Bei einer anderen bekannten Ausführung (DE 34 13 059 C2) münden die Zy­ linderbohrungen ohne Querschnittsverjüngung an der Stirnseite der Trommel und ist die radiale Weite der Steueröffnungen gleich oder größer als der Durchmesser der Zylinderbohrungen. Die notwendige Andrückkraft zwischen Steuerscheibe und Trommel wirkt lediglich auf die Trommel. Dazu ist eine Reihe von Zylinderkolbenanordnungen vorgesehen, die die Trommel umge­ ben, mit der Trommel rotieren und am Gehäuse abgestützt sind. Auch das ist konstruktiv aufwendig und erzeugt durch den großen Durchmesser zusätzliche Reibungskräfte.

Bei einer Axialkolbenmaschine der eingangs beschriebenen Gattung (US 3 175 508) münden die Zylinderbohrungen ohne Querschnittsverjüngung an der Stirnseite. Damit können zwar Druckverluste aufgrund einer Quer­ schnittsverjüngung vermieden werden, nicht aber Druckverluste, die andere Ursachen haben. Tatsächlich treten nämlich in der Strömung des Druckfluids wegen der Relativbewegung zwischen der Steuerscheibe und dem Gehäuse bzw. der Trommel tangentiale Geschwindigkeitskomponenten auf, die bei Ein­ tritt in die weiterführenden Kanäle oder Bohrungen umgelenkt werden müssen. Das, führt zu einer Verwirbelung mit entsprechenden Drosselverlusten im Druckfluid. Hinzu kommt, daß bei schnellem Wechsel des Überdeckungsgra­ des zwischen Steueröffnungen und weiterführenden Strömungskanälen auch Pulsationen des Druckes insbesondere in der Hochdruckleitung auftreten können. Zur Verminderung dieser Pulsationen ist bereits vorgeschlagen wor­ den (DE 196 33 529 A1), im Bereich der Steueröffnungen Gitter anzuordnen, die aber zusätzliche Reibungsverluste verursachen und dadurch die Lei­ stungsfähigkeit bzw. den Wirkungsgrad der Maschine beeinträchtigen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Axialkolbenmaschine der eingangs be­ schriebenen Gattung bei verbesserter Leistung konstruktiv zu vereinfachen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Steuerscheibe eine umfangseitig offene, mit einer Steueröffnung verbundene Ringkammer sowie in axialer Richtung daneben eine zweite, sich nur über einen Teilumfang erstreckende und umfangseitig offene, mit der anderen Steueröffnung verbundene Kammer aufweist, und daß den Kammern innenseitig am Gehäuse umlaufende Nuten zugeordnet sind, die mit der Druckquelle bzw. mit dem Tank verbunden sind. Dabei sind die Gehäuseanschlüsse für die Druckquelle und den Tank frei wählbar.

Bei allen Ausführungen der Steuerscheibe ist es vorteilhaft, wenn die Steuer­ öffnungen der Steuerscheibe in tangentialer Zu- und Abströmrichtung erweitert sind, weil dann aus der Relativdrehung zwischen Trommel und Steuerscheibe resultierende Tangentialkomponenten der Druckmittelströmung durch die Wandungen der Steueröffnungen nicht mehr leistungsmindernd umgelenkt werden.

Üblicherweise werden die Trommel und die Steuerscheibe unabhängig von­ einander im Gehäuse mit entsprechendem konstruktiven Aufwand gelagert. Dieser Aufwand kann reduziert werden, wenn die einander zugewandten Stirnseiten der Trommel und der Steuerscheibe als Zentrierflächen, insbe­ sondere als konische Zentrierflächen, ausgebildet sind. Unter der Wirkung der von der Steuerscheibe übertragenen Andrückkraft zentrieren sich die beiden Bauteile relativ zueinander.

Die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine läßt sich sowohl mit einseitig an der Schräg- oder Taumelscheibe abgestützten Kolben als auch mit beidseitig an der Schräg- oder Taumelscheibe abgestützten Kolben und Steuerscheiben an beiden Stirnseiten der Trommel (Doppelkolbenanordnung) ausführen.

Bei einer Ausführung mit einseitig an der Schräg- oder Taumelscheibe abge­ stützten Kolben kann die Trommel auf der der Steuerscheibe abgewandten Stirnseite in herkömmlicher Weise gelagert sein. Bevorzugt ist allerdings eine Ausführung, bei der die Trommel auf der der Steuerscheibe abgewandten Stirnseite am Gehäuse mit einem Druckpolster in einem zwischen der Trom­ mel und dem Gehäuse gebildeten, mit der Druckquelle verbundenen Ring­ kanal oder in einzelnen, den Kolben zugeordneten Räumen abgestützt ist. Besonders günstig werden die Verhältnisse dann, wenn die einander zuge­ wandten Stirnseiten der Trommel und des Gehäuses als Zentrierflächen, ins­ besondere konische Zentrierflächen, ausgebildet sind.

Das Druckpolster kann im einfachsten Fall von einem mit der Druckquelle ver­ bundenen Ringraum gebildet sein. Weil aber die Trommel sektorweise druck­ belastet oder druckentlastet ist, empfiehlt sich eine Ausführung, mit einem Druckpolster, welches von einem dem druckbelasteten Sektor der Trommel axial gegenüberliegenden, mit der Druckquelle verbundenen Raum gebildet ist, und mit einem zweiten Druckpolster, welches von einem dem druckentla­ steten Sektor der Trommel axial gegenüberliegenden, mit dem Tank verbun­ denen Raum gebildet ist. Die Größe dieser Räume und insbesondere die druckwirksamen Flächen können im Hinblick auf eine gewünschte Andrück­ kraft frei gewählt werden. Stets ist die Andrückkraft proportional zu dem je­ weils in der Maschine herrschenden Druck.

Bei einer Ausführung mit beidseitig an der Schräg- oder Taumelscheibe ab­ gestützten Kolben und Steuerscheiben an beiden Stirnseiten der Trommel genügt es, wenn nur eine der beiden Steuerscheiben von einem Druckpolster beaufschlagt ist. Bevorzugt ist diesem Fall eine Ausführung, bei der die ein­ ander zugewandten Stirnseiten der Trommel und der beiden Steuerscheiben als Zentrierflächen, insbesondere konischen Zentrierflächen, mit identischer geometrischer Konfiguration ausgebildet sind, weil dann die sogenannten Steuerscheibenkräfte einander entgegengerichtet sind und Kippmomente an der Schräg- oder Taumelscheibe nicht mehr auftreten.

Im folgenden werden in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert; es zeigen:

Fig. 1 schematisch einen Axialschnitt durch eine Axialkolbenmaschine,

Fig. 2 einen Schnitt in Richtung II-II durch den Gegenstand nach Fig. 1 bzw. Fig. 5,

Fig. 3 einen Schnitt in Richtung III-III durch den Gegenstand nach Fig. 1 bzw. Fig. 5,

Fig. 4 einen Schnitt in Richtung IV-IV durch den Gegenstand nach Fig. 1 bzw. Fig. 5,

Fig. 5 eine andere Ausführung des Gegenstandes nach Fig. 1,

Fig. 6 einen Schnitt in Richtung VI-VI durch den Gegenstand nach Fig. 5,

Fig. 7 schematisch einen Axialschnitt durch eine Ausführung als Doppelkolbenmaschine,

Fig. 8 eine andere Ausführung des Gegenstandes nach Fig. 7.

Die in Fig. 1 dargestellte Axialkolbenmaschine weist ein mehrteiliges Gehäuse 1 mit einem Gehäuseflansch 2 auf, in dem bei 3 eine Welle 4 gela­ gert ist. Die Welle 4 geht bei der dargestellten Ausführung in eine zur Welle 4 koaxiale Trommel 5 über, die eine Mehrzahl von sich parallel zur Welle 4 erstreckenden Zylinderbohrungen 6 für darin geführte Kolben 7 aufweist. Die Kolben 7 stützen sich in an sich bekannter Weise hydrostatisch gelagert an einer Schrägscheibe 8 ab. Dazu sind die Kolben 7 als Hohlkolben mit zu den Lagern 9 führenden Durchgangsbohrungen 10 ausgebildet. Wie in der Fig. 1 angedeutet, ist die Schrägscheibe 8 mit einem an sich bekannten, nicht gezeichneten Verstellmechanismus verstellbar. Im übrigen ist die Schrägscheibe 8 schwenkbar auf einem vom Gehäusedeckel 11 aus­ gehenden Zapfen 12 gelagert.

Den Zapfen 12 umgibt eine mit der Trommel 5 verbundene Lagerplatte 13, die auf der trommelabgewandten Seite eine konische Zentrierfläche 14 aufweist und mit dieser auf einer entsprechend konischen Zentrierfläche des Gehäusedeckels 11 abgestützt ist. Die Zentrierfläche 14 der Lagerfläche weist einen umlaufenden Ringkanal 15 auf, der über eine Bohrung 16 mit einer nicht dargestellten Druckquelle verbunden ist.

Zwischen der Trommel 5 und dem Gehäuseflansch 2 ist koaxial zur Welle 4 eine Steuerscheibe 17 angeordnet, die umfangseitig bei 18 gegenüber dem Gehäuse 1 abgedichtet ist. Die Steuerscheibe 17 weist trommelseitig eine konische Zentrierfläche auf, die an einer entsprechend ausgebildeten Zen­ trierfläche der Trommel 5 anliegt. Die Steuerscheibe 17 ist drehfest im Gehäuse angeordnet und greift mit Vorsprüngen 20, 21 abgedichtet in zuge­ ordnete Räume 22, 23 des Gehäuseflansches 2 ein. Der Vorsprung 20 und der Raum 22 erstrecken sich im Bereich des druckbelasteten Sektors der Trommel 5, wobei der Raum 22 über eine Leitung 24 mit der nicht darge­ stellten Druckquelle in Verbindung steht. Der Vorsprung 21 und der Raum 23 erstrecken sich im Bereich des druckentlasteten Sektors der Trommel 5, wo­ bei der Raum 23 über eine Leitung 25 mit dem nicht dargestellten Tank in Verbindung steht. Die Größe der Räume 22, 23 bzw. die darin druckwirksa­ men Flächen sind nach Maßgabe des gewünschten Anpreßdruckes der Steu­ erscheibe 17 auf die Trommel 5 frei wählbar. Wenn die orthogonalen Konuswinkel der Lagerplatte 13 und der Steuerscheibe 17 einander genau entgegengerichtet sind, werden die Steuerscheibenkräfte und damit das Kippmoment aufgehoben.

Im übrigen weist die Steuerscheibe 17 eine sich über den druckbelasteten Sektor der Trommel 5 erstreckende Kammer 26 auf, die umfangseitig zu einer gehäuseinnenseitig umlaufenden Nut 27 offen ist. Die Nut 27 kann an beliebiger Stelle mit der nicht dargestellten Druckquelle verbunden sein. Von der Kammer 26 geht eine nierenförmige Steueröffnung 28 aus, die sich über den druckbelasteten Sektor der Trommel 5 erstreckt und in die die druck­ belasteten Zylinderbohrungen 6 ohne Querschnittsverjüngung münden. Die radiale Weite der Steueröffnung 28 ist gleich oder größer als der Durch­ messer der Zylinderbohrungen 6.

Axial neben dieser Kammer 26 weist die Steuerscheibe 17 eine umlaufende Ringkammer 29 auf, die umfangseitig zu einer Nut 30 offen ist. Die Nut 30 kann an beliebiger Stelle einen Gehäuseanschluß zum nicht dargestellten Tank aufweisen. Von der Ringkammer 29 geht eine nierenförmige Steuer­ öffnung 31 aus, die sich über den druckentlasteten Sektor der Trommel 5 erstreckt und in die die Zylinderbohrungen 6 des druckentlasteten Sektors ohne Querschnittsverjüngung münden (Fig. 2, 3).

Die Steueröffnungen 28, 31 der Steuerscheibe 17 sind in tangentialer Zu- und Abströmrichtung erweitert, wie das in den Fig. 2 und 3 bei 32 angedeutet ist. Dadurch wird eine durch die Relativdrehung zwischen Trommel 5 und Steuerscheibe 17 bedingte, durch einen Pfeil 33 angedeutete tangentiale Geschwindigkeitskomponente der Strömung in die Zylinderbohrungen 6 oder aus den Zylinderbohrungen 6 von leistungsmindernden Umlenkungen freigehalten.

Bei der in den Fig. 5 und 6 dargestellten Ausführungen bezeichnen glei­ che Bezugszeichen gleiche Teile. Die Trommel 5 ist Teil des nicht rotierenden Gehäuses. Die Steuerscheibe 17 und die Taumelscheibe 8 rotieren mit der Welle 4. Deswegen ist eine Abstützung der Trommel 5 auf der der Steuerscheibe 17 abgewandten Seite nicht erforderlich. Die Andrückkraft der Steuerscheibe 17 wird ebenfalls erzeugt durch Druckpolster in den Räumen 22 bis 23, wobei der Raum 22 wiederum mit dem Druck der Druckquelle und der Raum 23 mit dem Druck des Tanks beaufschlagt ist. Buchsen 34, 35, die der Geometrie der Räume 22 bzw. 23 angepaßt sind, greifen einerseits in die Räume 22 bzw. 23 und andererseits in zugeordnete Ausnehmungen der Steuerscheibe 17 ein.

Bei der in Fig. 7 wiedergegebenen Axialkolbenmaschine mit Doppelkolben­ anordnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile. Die beidseits an der verstellbaren Schrägscheibe 8 angreifenden Kolben 7 sind an ihren anderen Enden auf Federn 36 abgestützt. Beidseits der Trommel 5 sind Steuerscheiben 17 angeordnet, die mit konischen Zentrierflächen 19 an entsprechend konisch ausgebildeten Stirnseiten der Trommel 5 anliegen. Die Konuswinkel der Konen sind identisch, so daß die Steuerscheibenkräfte Fs sich gegenseitig aufheben und keine Kippmomente erzeugen. Die Steueröff­ nungen 28 bzw. 31 der Steuerscheiben gehen in zugeordnete, mit der Druck­ quelle verbindbare Kanäle 37 bzw. mit dem Tank verbindbare Kanäle 38 über. Bei der in Fig. 7 auf der linken Seite gezeichneten Steuerscheibe 17 sind die Kanäle 37, 38 in die Steuerscheibe integriert. An dieser in der Fig. 7 linken Steuerscheibe 17 greift die Andrückkraft an, die von Druck­ polstern in dem mit der Druckquelle verbundenen Raum 23 erzeugt werden. Die andere, in der Fig. 7 rechte Steuerscheibe 17 ist demgegenüber ein Bauteil, welches die Kanäle 37, 38 aufnimmt, am Gehäuseflansch 2 abgestützt.

Die in Fig. 7 linke Steuerscheibe 17 wird außerdem über eine Feder 39 gegen die Trommel 5 gedrückt, wobei diese Feder 39 die Aufgabe hat, im Anfahrzustand oder bei niedrigen Belastungen die notwendige Andrückkraft zu erzeugen.

Bei der in Fig. 8 wiedergegebenen Ausführung bezeichnen gleiche Bezugs­ zeichen gleiche Teile. Die Steuerscheiben 17 und die Trommel 5 stützen sich aneinander auf Stützflächen 40 ab, die sich orthogonal zur Achse der Welle 4 erstrecken. Die einander gegenüberliegenden Kolben 7 jeder Zylinderbohrung 6 sind nicht auf Federn abgestützt, sondern über Verbindungselemente 41 miteinander verbunden. Auf dem Zapfen 12 ist unter einem festen Winkel eine Schrägscheibe 42 angeordnet, an deren gegenüberliegenden Seiten die Kolben 7 abgestützt sind.

Bei allen dargestellten Ausführungsformen münden die Zylinderbohrungen 6 ohne Querschnittsverjüngung und damit ohne Druckverlust in die Steueröff­ nungen 28, 31 der Steuerscheibe(n) 17. Alle Bauteile sind konstruktiv einfach aufgebaut und lassen sich durch einfache Bearbeitung herstellen.

Claims (6)

1. Axialkolbenmaschine mit einem Gehäuse und einer darin gelagerten Welle, mit einer koaxial zur Welle angeordneten Trommel, die eine Mehrzahl von sich parallel zur Welle erstreckenden Zylinderbohrungen für darin geführte Kolben aufweist, mit einer Schräg- oder Taumelscheibe, an der die Kolben abgestützt sind, wobei die Trommel und die Schräg- oder Taumelscheibe relativ zueinander drehbar sind und mit einer an der kolbenabgewandten Stirnseite der Trommel angeordneten, relativ zur Trommel drehbaren Steuerscheibe, die durch gehäuseseitig wirkende Stützkräfte gegen die Stirnseite gedrückt wird und Steueröffnungen aufweist, welche die Zylinderbohrungen abwechselnd mit einer Druckquelle und einem Tank verbinden, wobei die Zylinderbohrungen ohne Querschnittsverjüngung an der Stirnseite münden und die radiale Weite der Steueröffnungen gleich oder größer ist als der Durchmesser der Zylinderbohrungen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuerscheibe (17) eine umfangseitig offene, mit einer Steueröffnung (31) verbundene Ringkammer (29) sowie in axialer Richtung daneben eine zweite, sich nur über einen Teilumfang erstreckende und umfangseitig offene, mit der anderen Steueröffnung (28) verbundene Kammer (26) aufweist, daß den Kammern (26, 29) innenseitig am Gehäuse (1) umlaufende Nuten (27, 30) zugeordnet sind, die mit der Druckquelle bzw. mit dem Tank verbunden sind.

2. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steueröffnungen (28, 31) der Steuerscheibe (17) an ihren, den Zylinderbohrungen (6) abgewandten Enden nach Maßgabe der durch die Relativbewegung zwischen Trommel (5) und Steuerscheibe (17) bedingten Geschwindigkeitskomponenten der Strömung in tangentialer Zu- bzw. Abström­ richtung erweitert sind.

3. Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einander zugewandten Stirnseiten der Trommel (5) und der Steuerscheibe (17) als Zentrierflächen (19) ausgebildet sind.

4. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch konische Zentrierflächen.

5. Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einseitig an der Schräg- oder Taumelscheibe abgestützten Kolben, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die einander zugewandten Stirnseiten der Trommel (5) und des Gehäuses (1) als Zentrierflächen (14) ausgebildet sind.

6. Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit beidseitig an der Schräg- oder Taumelscheibe abgestützten Kolben und Steuerscheiben an beiden Stirnseiten der Trommel, dadurch gekennzeichnet, daß die einander zugewandten Stirnseiten der Trommel (5) und der beiden Steuerscheiben (17) als Zentrierflächen (19) mit identischer geometrischer Konfiguration ausgebildet sind.