EP0252105B1

EP0252105B1 - Axialkolbenmaschine

Info

Publication number: EP0252105B1
Application number: EP87900123A
Authority: EP
Inventors: Gerhard Lutz; Ulrich Breining
Original assignee: Hydrokraft GmbH
Current assignee: Hydrokraft GmbH
Priority date: 1985-12-19
Filing date: 1986-12-12
Publication date: 1991-03-20
Anticipated expiration: 2006-12-12
Also published as: DE3678287D1; EP0252105A1; DE3545137C2; WO1987003926A1; DE3545137A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Diese Kolben sollen in Axialkolbenmaschinen Verwendung finden, die, ganz allgemein, zur Umwandlung von Druckenergie in Rotationsenergie oder umgekehrt dienen, also wahlweise als Pumpen oder Hydromotoren eingesetzt werden können.
Das Prinzip einer Axialkolbenmaschine besteht darin, daß sich die Kolben in Zylindern axial hin- und herbewegen können, und die Größe des durch den Kolben im Zylinder begrenzten Verdrängungsraums dadurch verändert werden kann. Beim Einsatz als Pumpe wird durch die Veränderung dieses Volumens das Hydraulikmedium gefördert, beim Einsatz als Motor wird dieses Volumen durch den Zustrom an Hydraulikmedium zyklisch verändert und dadurch die Motordrehung bewirkt. Die Zylinder mit den darin axial verschiebbaren Kolben befinden sich kreisförmig angeordnet und parallel nebeneinander in einer drehbar gelagerten Kolbentrommel. Von den Kolben ragen jeweils ein Ende in den Zylinderraum hinein, während das andere Ende meist kugelförmig ausgebildet ist und in einer entsprechend ausgebildeten, pfannenförmigen Lagerung liegt. Über diese pfannenförmigen Lagerungen stützen sich die Kolben über eine hydrostatische Entlastung auf einer ebenen Schiebe ab, die Bestandteil der Wiege ist. Diese Scheibe kann gegenüber der Drehachse der Kolbentrommel geneigt werden, so daß von einer Schrägscheibe gesprochen wird. Dadurch wird bei jeder Umdrehung der Kolbentrommel der Kolben eine halbe Umdrehung lang in den Zylinder hineingeschoben, und die nächste halbe Umdrehung lang wieder herausgezogen, und zwar um so mehr, je schräger die Schrägscheibe gegenüber der Drehachse der Kolbentrommel eingestellt ist.
Da die pfannenförmigen Lagerungen bei schräggestellter Schrägscheibe nicht auf einem Kreis, sondern einer Ellipse umlaufen, müssen diese Lagerungen auf der Schrägscheibe nicht nur umlaufen können, sondern auch radial verschiebbar sein.
Um ein Abheben der pfannenförmigen Gleitschuhe von der Schrägscheibe zu verhindern, ist ein Niederhalter vorgesehen, von dem folgende Kräfte zu überwinden sind:

_ Kraft aus der Druckdifferenz zwischen Gehäuse und Zylinder
_ Reibungskräfte
_ Beschleunigungskräfte der Kolbenmassen.

Im üblichen Drehzahlbereich von mehr als 1000 Umdrehungen pro Minute machen letztere den weitaus größten Anteil aus. Dies wird auch aus der Beziehung zur Berechnung der maximalen Beschleunigung deutlich, in die die Winkelgeschwindigkeit, und damit die Drehzahl, quadratisch eingeht:
Da im allgemeinen die für die Festlegung der Kolbenbeschleunigung verantwortlichen Parameter nicht ohne Nachteile verändert werden können, kann die Beanspruchung des Niederhalters nur durch eine Verringerung der Kolbenmasse reduziert werden.
Eine große Kolbenmasse beansprucht jedoch nicht nur den Niederhalter, sondern wirkt sich auch auf das Gleichgewicht der Kolbentrommel aus: Die Zentrifugalkräfte der umlaufenden Kolben bewirken unter dem Einfluß des Kolbenhubes ein Moment auf die Kolbentrommel um eine Achse, die senkrecht auf der Drehachse der Kolbentrommel steht und zugleich parallel zur Schwenkachse der Wiege, auf der die Schrägscheibe angeordnet ist. Dieses unewünschte Drehmoment der Kolbentrommel kann nur durch entsprechende, zusätzliche Andruck.kräfte in axialer Richtung der Kolbentrommel kompensiert werden.
Eine möglichst geringe Kolbenmasse würde damit also über eine Verringerung der Massenträgkeit wichtige Teile der Axialkolbenmaschine entlasten.
Aus diesem Grunde ist beispielsweise das Hohlbohren der Kolben angewandt worden. Dabei ragt das geschlossene Kolbenende aus dem Zylinder heraus und der ausgebohrte Kolbenboden in den Zylinder hinein. Dadurch wird jedoch noch der bisherige Verdrängungsraum, das sog Hubvolumen, um das Volumen der Bohrung, das sog. Totvolumen, vergrößert, das zwar nicht an der Förderung teilnimmt, jedoch wegen seiner Kompressibilität eine höhere Druckpulsation mit allen negativen Auswirkungen, beispielsweise erhöhter Geräuschabgabe und geringerem Wirkungsgrad, zur Folge hat.
Um diesen Nachteil zu vermeiden, sind Kolben für Axialkolbenmaschinen bekannt, bei denen der Kolbenboden wie oben dargestellt aufgebohrt, jedoch anschließend, zur Vermeidung des Totvolumens, wieder von einem Deckel verschlossen und angedichtet wurde, Bei solchen Kolben konnte jedoch nicht mehr die für die Heransetzung der Reibung erforderliche Durchgangsbohrung vom Kolbenboden zum gegenüberliegenden Ende des Kolbens bzw. den Entlastungsdruckfeldern angebracht werden.
Eine andere bekannte Lösung zeigt die DE-A 23 64 725, bei der die Kolben zwar zentrisch, jedoch ringförmig aufgebohrt wurden, damit in der Symmetrieachse der Kolben Material zum Einbringen der besagten Durchgangsbohrung vorhanden war. Dies hat jedoch den Nachteil, daß die Herstellung solcher Kolben sehr aufwendig und, besonders bei kleineren Stückzahlen, unwirtschaftlich war. Für das Aufbohren sind spezifische Metallwerkzeuge notwendig, und für das anschließende Verschließen mit einem ringförmigen Deckel ist das aufwendige Reibschweißen eingesetzt. Da bei diesem Verfahren die beiden miteinander zu verbindenden Teile relativ zueinander rotieren und gleichzeitig axial gegeneinander belastet sind, besteht immer die Gefahr, daß der in der Mitte frei hervorstehende Zapfen mit der Längsbohrung in der Symmetrieachse bei diesem Vorgang seitlich ausweicht und so keine gute Verbindung mit dem Deckel eingegangen wird. Zur Verhinderung müssen zusätzliche Spreizmittel in den ringförmigen Zwischenraum eingebracht werden, die den Effekt der Masseverminderung gerade wieder reduzieren. Zusätzlich muß nach dem Aufschweißen des Deckels, der den gleichen Außenumfang besitzt wie der Kolben, die Umfangsfläche, die ja die Berührungsfläche zum Zylinder darstellt, nachbearbeitet werden, was um so aufwendiger ist, je größer der Versatz zwischen Deckel und Kolben beim Aufsetzen ist.
Weiterhin ist es aus der GB-A 1 085 231 bekannt, den äußeren Kolbenumfang im mittleren Bereich der Längserstreckung zu reduzieren, um die Kolbenmasse zu verringern. Allerdings handelt es sich nicht um Kolben mit einer zentralen Längsbohrung wie im vorliegenden Fall.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Axialkolbenmaschine zu schaffen, bei der die Kolben mit einer Durchgangsbohrung vom Kolbenboden zum gegenüberliegenden Kolbenende ausgestattet sind und eine möglichst geringe Masse aufweisen und dennoch möglichst einfach herzustellen sind.
Die Lösung dieser Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 dargelegt. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der Vorteil der symmetrisch um die Mitte angeordneten Längsbohrungen liegt zum einen darin, daß diese Längsbohrungen einzeln mit Deckeln verschlossen werden können, die ganz oder teilweise in den Bohrungen stecken und sich damit nicht zum Außenumfang des Kolbens erstrecken müssen, wie das bei dem aufgesetzten Deckel mit der Querschnittsfläche des gesamten Kolbens bei der DE-A- 23 64 725 der Fall ist. Dadurch entfällt ein Nachbearbeiten der Umfangsfläche des Kolbens bzw. des aufgesetzten Deckels.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß sowohl die Bohrungen im Kolben als auch die zum Verschließen notwendigen Deckel eine sehr viel einfachere Gestalt haben und auch mit einfacheren Werkzeugen und damit billiger herzustellen sind.
Zusätzlich kann aufgrund der zwischen den Bohrungen verbleibenden, radial nach außen verlaufenden Stegen der Kernbereich des Kolbens, der die Zentralbohrung enthält, weder beim Bearbeiten noch beim Verschließen des Kolbens außermittig abweichen. Damit ist wiederum eine starke Vereinfachung bei der Herstellung, Bearbeitung und beim Verschluß dieses Kolbens gegeben.
Selbstverständlich lassen sich die beiden grundsätzlichen Lösungen zur Masseverringerung der Kolben, nämlich Verringerung des äußeren Querschnittes im mittleren Kolbenbereich und konzentrisch angeordnete, am Kolbenboden verschlossene Längsbohrungen, bei Bedarf entsprechend kombinieren. Weitere Ausführungsformen der von der Kolbenaußenseite einzubringenden Masseverringerungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Diese beiden grundsätzlichen Lösungen sind in beispielhaften Ausführungsformen in den Zeichnungen näher dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Axialkolbenmaschine mit Kolben gemäß der Erfindung,
Fig. 2 einen teilgeschnittenen Kolben mit gleichbleibend reduziertem Kolben im mittleren Bereich,
Fig. 3 einen teilgeschnittenen Kolben mit unterschiedlichem Querschnitt im mittleren Bereich, und
Fig. 4 einen Kolben ähnlich der Fig. 3 mit hinterdrehten Endbereichen.
Fig. 5 einen teilgeschnittenen Kolben mit konzentrisch angeordneten Längsbohrungen im Grund- und Aufriß.

In Fig. 1 ist eine Axialkolbenmaschine dargestellt, die sich in einem topfförmigen Gehäuse 2 befindet, das mit einem Deckel 1 verschlossen ist. Die beiden Teile sind über den Zuganker 5 mit Hilfe der Muttern 21 miteinander verschraubt. Die, im Pumpenbetrieb, über die Welle 19 angetriebene Axialkolbenmaschine besteht im wesentlichen aus der koaxial um die Welle 19 drehbar angeordnete Kolbentrommel 12, die auf der einen Seite auf der Verteilerplatte 14 gleitet und in die auf der anderen Seite die Kolben 13 hineinragen. Das aus der Kolbentrommel 12 herausragende Ende der Kolben 13 ist kugelförmig ausgebildet und in den mit einer entsprechenden Innenkontur versehenen Gleitschuhen 16 gelagert. Die Gleitschuhe 16 stützen sich auf der feststehenden Schrägscheibe 17 gleitend ab, um die durch die Schrägstellung der Schrägscheibe 17 zur Welle 19 bedingte ellipsenförmige Umlaufbahn um die Welle 19 einhalten zu können. Um das Maß der bei jeder Umdrehung der Welle 19 erfolgenden Längsverschiebung der Kolben 13 in der Kolbentrommel 12, und damit, beim Pumpenbetrieb, das Hubvolumen einstellen zu können, ist die Schrägscheibe 17, gegen die die Gleitschuhe 16 mit Hilfe eines Niederhalters 15 gepreßt werden, auf einer Wiege 18 angeordnet, die mit ihrer halbzylindrischen Außenkontur in einer entsprechenden Ausnehmung der Lagerkörpers 10 verschwenkbar ist.
Der in der Axialkolbelmaschine der Fig. 1 verwendete Kolben 13 ist in der Fig. 2 näher dargestellt. Der Kolben 13 weist im vorderen Bereich 3 und hinteren Bereich 4 eine Außenkontur auf, die der Innenkontur des Zylinders entspricht und an dieser entlanggleitet. Im mittleren Bereich 6 ist der Querschnitt des Kolbens 13 jedoch wesentlich geringer, und zwar über die ganze axiale Länge des mittleren Bereiches gleichbleibend. Noch vor dem vorderen Bereich 3 befindet sich der kugelformig ausgebildete Kopf 7 des Kolbens 13, der in einer entsprechenden Ausnehmung des Gleitschuhs 16 drehbar gelagert ist.
Um trotz der hohen Anpressung des Gleitschuhes 16 an die Schrägscheibe 17 die beiden Teile relativ zueinander verschiebbar zu halten, sind an der Unterseite des Gleitschuhes 16 Taschen 8 ausgebildet, die bei entsprechender Druckbeaufschlagung als Entlastungs- Druckfelder dienen. Die notwendige Druckversorgung geschieht über die Bohrung 9 im Gleitschuh 16 sowie die weiterführende Bohrung 11 im Kolben 13 vom Kompressionsraum innerhalb des Zylinders her. Da die Bohrung 11 vorteilhafterweise in der Längsachse des Kolbens 13 liegt, wird ihre Funktion durch die Querschnittsverengung im mittleren Bereich 6 des Kolbens 13 nicht beeinträchtigt.
Eine weitere Ausführungsform des Kolbens 13 gemäß der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. Im Gegensatz zu dem Kolben der Fig. 2 weist dabei der mittlere Bereich 6 des Kolbens 13 keinen gleichbleibenden Querschnitt auf, sondern der Querschnitt des Kolbens nimmt zum vorderen Ende hin, entsprechend der steigenden Biegebelastung, zu, was in Längsrichtung über den mittleren Bereich 6 des Kolbens 13 eine gleichmäßige Durchbiegung ergibt.
Der in der Fig. 3 dargestellte Kolben 13 kann hinsichtlich der Masseeinsparung am Kolben noch dahingehend optimiert werden, daß der vordere Bereich 3 und der hintere Bereich 4 des Kolbens 13 vom mittleren Bereich 6 aus hinterdreht werden, ohne die Restmantelflächen, mit denen der Kolben 13 an der Zylinderwandung anliegt, weiter zu verringen, wie in Fig. 4 dargestellt.
Die Verwendung von solchen Kolben ist besonders bei kurzhubigen Axialkolbenmaschinen vorteilhaft, da in diesem Fall aufgrund der insgesamt geringen Gesamtlänge der Kolben 13 auch nur relativ geringe Biegekräfte auf den Kolben wirken, und die axiale Länge des vorderen Bereiches 3 des Kolbens 13 um so geringer gewählt werden kann, je geringer der Hub der Kolben ist, wenn ein völliges Außereingriffkommen der Mantelfläche des vorderen Bereiches 3 mit der Zylinderwandung vermieden werden soll.
In Fig. 5 ist dagegen ein Kolben gezeigt, dessen Masse ohne Inkaufnahme eines Totvolumens dadurch reduziert wurde, daß in den Kolbenboden konzentrisch um die Kolbenlängsachse Bohrungen 22 eingebracht wurden, so daß in der Mitte des Kolbens genug Material verblieb, um darin die Bohrung 11 einzubringen. Damit die Hohlräume der Bohrungen 22 im Betrieb der Axialkolbenmaschine nicht als Totvolumen wirken, werden sie am Kolbenboden durch Deckel 23 verschlossen und abgedichtet, die beispielsweise durch Hartlöten im Kolben befestigt werden. Die in den Fig. 2 bis 4 bzw. 5 dargestellten Ausführungsformen lassen sich bei entsprechend dimensionierten Kolben selbstverständlich auch in einer neuen Ausführungsform vereinigen, wobei dann die konzentrisch angeordenten, am Zylinderboden wieder verschlossenen Hohlbohrungen entweder nur im vorderen Bereich 4 des Kolbens angeordnet sind, oder so nahe an der Mitte des Kolbens liegen, daß sie sich durch den schmaleren, mittleren Bereich 6 des Kolbens hindurcherstrecken können.

Claims

1. Axialkolbenmaschine des Schrägscheibentyps, insbesondere kurzhubige Axialkolbenmaschine, bei der die Kolben (13) jeweils mittels eines Kugelgelenks mit der Schrägscheibe (17) verbunden sind und bei der in der Symmetrieachse jedes Kolbens (13) eine Durchgangsbohrung (11) angeordnet ist, die von wenigstens einem, zur Kolbenaußenseite hin abgeschlo- ssenen, in Kolbenlägnsrichtung verlaufenden Hohlraum umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kolben (13) mehrere symmetrisch um die Kolbenmitte angeordnete Bohrungen (22) aufweist, die zum Kolbenboden hin mit Deckeln (23) verschlossen sind.

2. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der in Axialrichtung gelegene mittlere Kolbenbereich (6) einen geringeren Außen- querschnitt als der vordere und hintere Bereich (3 bzw. 4) aufweist, und daß der mittlere Bereich (6) über seine axiale Länge einen gleichbleibenden Querschnitt aufweist.

3. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Bereich (6) der Kolben (13) in seinem Verlauf eine unterschiedliche Dicke aufweist, dessen Festigkeit sich analog der mit der axialen Erstreckung sich ändernden Biegespannung verändert, um in dem mittleren Bereich (6) der Kolben (13) eine gleichmäßige Durchbiegung zu erzielen.

4. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des vorderen, dem freien Zylinderende, also dem Kugelgelenk des Kolbens (13) zugewandten, Bereiches (3) der Kolben (13) größer ist als der maximale Hub der Axialkolbenmaschine.

5. Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekenn- zeichnet, daß der vordere Bereich (3) und der hintere Bereich (4) der kolben (13) nicht massiv ausgebildet, sondern vom mittleren Bereich (6) her ringförmig ausgehöhlt sind, ohne die Mantelflächen des vorderen Bereiches (3) und hinteren Bereiches (4) zu reduzieren.