Die Erfindung bezieht sich auf eine Axialkolbenmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei Axialkolbenmaschinen dieser Bauart ist ein sauberer Lauf und eine befriedigende Abdichtung des die Kolben aufnehmenden Zylinders auf der Steuerfläche nur dann gegeben, wenn die auf den Zylinder im Betrieb wirkenden Kräfte so bemessen sind, daß einerseits ein auch nur teilweises Abheben des Zylinders von der Steuerfläche verhindert ist und zum anderen ein Andruck des Zylinders an die Steuerfläche vorliegt, bei dem sich ein einen erhöhten Verschleiß verhindernder Ölfilm auf der Steuerfläche ausbilden kann. Im vorliegenden Zusammenhang sollen zunächst die Kräfte Berücksichtigung finden, die in axialer Richtung auf den Zylinder wirken. Es handelt sich zum einen um eine sogenannte Steuerflächenkraft, die im Betrieb den Zylinder von der Steuerfläche abzuheben sucht. Die Steuerflächenkraft ergibt sich als Summe der partialen Drücke und Fläche über dem gesamten Druckfeld und möglichen Spaltdrücken. Deshalb wird die Steuerflächenkraft durch eine resultierende Kraft dargestellt, die senkrecht zur Steuerfläche gerichtet ist.
Eine Axialkolbenmaschine der eingangs bezeichneten Bauart ist in der GB-A-311 938 beschreiben und dargestellt. Bei dieser bekannten Ausgestaltung liegt der Zylinder mit einer ebenen Stirnfläche an einer ebenen Steuerfläche an, wobei die Kolbenbohrungen ohne Querschnittsverengung an der Stirnseite münden. Zur Kompensation der Steuerflächenkraft sind auf dem Umfang des Zylinders verteilt Belastungszylinder angeordnet, die mit den Kolbenbohrungen verbunden und somit mit dem Arbeitsdruck beaufschlagbar sind und den Zylinder gegen die Steuerfläche beaufschlagen.
Aus der DE-OS 2 250 510 ist es ebenfalls bekannt, der Steuerflächenkraft durch eine entgegengesetzte Belastungskraft entgegenzuwirken, die den Zylinder gegen die Steuerfläche beaufschlagt. Dies wird durch mehrere Maßnahmen erreicht. Zum einen weisen die Kolbenbohrungen eine durch eine Querschnittsverringerung gebildete Schulter auf, an der ein Teil der Belastungskräfte wirksam ist. Ein anderer Teil der Belastungskräfte wird durch auf dem Umfang verteilte Belastungskolben erzeugt, die am Maschinengehäuse abgestützt sind, die entweder durch Federdruck oder als hydraulische Kolben vom Arbeitsdruck beaufschlagbar sind und den Zylinder in Richtung auf die Steuerfläche belasten. Außerdem ist eine zentrale Feder vorhanden, die den Zylinder gegen die Steuerfläche vorspannt.
Beim aus DE-OS 2 250 510 entnehmbaren Stand der Technik ist der Zylinder im Sinne einer sogenannten kinematischen Führung auf der Antriebswelle einer Schrägscheiben-Axialkolbenmaschine gelagert. D.h., der Zylinder vermag sich selbsttätig an die Steuerfläche anzupassen, jedoch sind grundsätzlich auch Kippbewegungen des Zylinders möglich, die - wie eingangs schon beschrieben - zu einem Abheben des Zylinders von der Steuerfläche führen.
Ein mit dem vorbeschriebenen Stand der Technik vergleichbarer Stand der Technik ist auch aus DE-PS 941 343 zu entnehmen. Bei dieser Bauart ist die Wirksamkeit der Beiastungs- bzw. Ausgleichszylinder vom Druckzustand in den Kolbenbohrungen abhängig. Hierzu ist jeder Belastungszylinder durch einen Verbindungskanal mit einer in seiner Nähe befindlichen Kolbenbohrungen verbunden. Der Zylinder ist mittels eines Wälzlagers gelagert, was eine selbsttätige Spaltanpassung verhindert.
Bei den vorbeschriebenen, bekannten Bauarten, bei denen die Querschnittsverengungen der Kolbenbohrungen Durchflußengpässe bilden, ist der jeweilige Strom des hydraulischen Mediums beeinträchtigt. Außerdem sind die eingangs beschriebenen Forderungen nicht erfüllt, die eine einwandfreie Führung des Zylinders auf der Steuerfläche gewährleisten. Bei der Bauart gemäß DE-PS 941 343 scheint ein schädlicher Andruck des Zylinders an die Steuerfläche nicht möglich zu sein, weil der Zylinder stirnseitig gegen ein Axialdrucklager abgestützt ist.
Es ist aus der DE-C-910 239 bekannt, zur Abstützung des Zylinders eine konvexe Steuerfläche vorzusehen, wobei der Radius der Steuerfläche so groß bemessen ist, daß der Schnittpunkt der senkrecht zur Steuerfläche gerichteten Steuerflächenkraft und der Belastungskraft in einer quer zur Drehachse verlaufenden Ebene liegt, die im Bereich eines am Zylinderumfang vorgesehenen Stützlagers angeordnet ist. Bei dieser Ausgestaltung sind jedoch keine Belastungszylinder sondern nur Querschnittsverengungen der Kolbenbohrungen vorgesehen, die radialeinwärts versetzt und somit auf einem verhältnismäßig kleinen Teilkreis angeordnet sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Axialkolbenmaschine der eingangs bezeichneten Bauart so auszugestalten, daß bei maximaler Ausnutzung der Kolbenleistungen eine axial und radial ausgeglichene Führung des Zylinders möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Bei der sphärischen Wölbung der Steuerfläche sind die aufgrund des Druckfeldes und der Spaltdrücke an der Steuerfläche hervorgerufenen Teilkräfte der Steuerflächenkraft senkrecht zur Steuerfläche gerichtet, und deshalb sind die parallel zu den Kolben gerichteten Komponenten dieser Teilkräfte geringer. Dies ist eine günstige Auswirkung, da bei der Bemessung der Belastungskraft nur die parallel zu den Kolben gerichtete Komponente der Steuerflächenkraft zu
berücksichtigen ist. Eine sphärische Steuerfläche führt zwar zu einer radialen Kraftkomponente, jedoch ist die radiale Kraftkomponente bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung unschädlich, weil sie in einer Querebene der Axialkolbenmaschine wirkt, in der der Zylinder radial abgestützt ist und somit kein Kippmoment auf den Zylinder auszuüben vermag.
Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist der Zylinder sowohl axial als auch radial von bedeutenden schädlichen Krafteinwirkungen befreit. Dies führt zu einer optimalen Anlage des Zylinders an der sphärischen Steuerfläche, wobei aufgrund des Gleichgewichtes der Steuerflächenkraft und der Belastungskraft sich ein wirksamer Ölfilm zwischen der Steuerfläche und dem Zylinder ausbilden kann, wodurch Reibung und Verschleiß auf ein Minimum begrenzt werden.
Dabei ist zu berücksichtigen, daß sowohl die Belastungskraft als auch die Steuerflächenkraft aus mehreren Teilkräften bestehen können, z. B. nehmen auch die bei der Verschiebung der Kolben wirksamen Reibungskräfte in beiden axialen Richtungen Einfluß sowohl auf die Steuerflächenkraft als auch auf die Belastungskraft.
Außerdem kann der Zylinder durch eine zentrische Federkraft, z. B. in Form einer Druckfeder, ständig gegen die Druckfläche beaufschlagt sein, wie es beim Stande der Technik gemäß DE-OS 22 50 510 der Fall ist. Die von der Feder erzeugte Teilkraft ist Teil der Belastungskraft.
Die Ausgestaltung nach Anspruch 2 ist aus zweierlei Gründen vorteilhaft. Zum einen ergibt sich aufgrund der zur Steuerfläche kegelig verjüngenden Kolbenbahn ein kleinerer Radius für die Steueröffnungen in der Steuerfläche. Infolgedessen sind aufgrund eines verhältnismäßig kleinen Druckfeldes und des kürzeren Hebelarmes die hervorgerufenen Teilkräfte der Steuerflächenkraft geringer, was kleinere Belastungszylinder ermöglicht. Zum anderen wird aufgrund dieser Ausgestaltung Bauraum für die Belastungszylinder gewonnen.
Bei einer Ausgestaltung nach Anspruch 3 ist gewährleistet, daß die Kolben der Belastungszylinder ständig an ihrer Wirkfläche anliegen und deshalb auch der Zylinder auch im drucklosen Zustand an der Steuerfläche anliegt. Ein weiterer Vorteil der Federvorspannung für die Kolben der Belastungszylinder ist darin zu sehen, daß aufgrund des verhältnismäßig großen Drehachsenabstandes die Federkraft in den Belastungszylindern sehr wirksam ist gegen radial am Zylinder wirksame Kippmomente, die beispielsweise durch Turbulenzen in der Mediumströmung oder durch Massenkräfte hervorgerufen werden können. Als Vergleich sei hier angeführt, daß übliche axiale Federkräfte zum Zweck des Andrucks des Zylinders an die Steuerfläche im Bereich der Antriebswelle weniger wirksam sind, weil der ihnen konstruktiv vorgegebene Wirkabstand gering ist. Es ist vorteilhaft, sowohl aus Kostengründen als auch aus Gründen der Baugröße, die Ausbildung nach Anspruch 4 vorzusehen, wobei es sich empfiehlt, die Kolben der Belastungszylinder zum Zweck einer automatischer Schmierung des Gleitlagers gemäß Anspruch 5 zu durchbohren.
Gemäß Anspruch 6 ist jedem Kolben ein Belastungszylinder zugeordnet, wobei zwischen den zueinandergehörigen Kolbenbohrungen und Belastungszylindern eine Leitungsverbindung besteht.
Die Ausgestaltung nach Anspruch 7 führt zu einer Anpassung der durch die Belastungszylinder erzeugten Ausgleichskraft an den tatsächlichen Druckverlauf in den Kolbenräumen, der aufgrund konstruktiver und naturgesetzlicher Gegebenheiten gegenüber dem Zylinder in Umfangsrichtung sozusagen phasenverschoben ist.
Nachfolgend werden vier
Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer vereinfachten Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
Die in Fig. 1 allgemein mit 1 bezeichnete Axialkolbenmaschine, die als Pumpe und als Motor betrieben werden kann, besteht aus einem allgemein mit 2 bezeichneten Gehäuse, einer darin um eine Drehachse 3 drehbar gelagerten Antriebswelle 4, einer sogenannten Schrägscheibe 5, an der mittels Gleitschuhen 6 und einer Andruckplatte 7 auf einem Teilkreis verteilt Kolben 8 gehalten sind, einen durch die Antriebswelle 4 um die Drehachse 3 drehbaren Zylinder 9, in dem die Kolben 8 in sich axial erstreckenden Kolbenbohrungen 11 verschiebbar geführt sind und einer am Gehäuse 2 unbeweglich befestigten Steuerplatte 12, deren sphärisch konvex gewölbte Steuerfläche 13 nierenförmige Steueröffnungen 14 aufweist, die während des Drehens des Zylinders 9 mit den Kolbenbohrungen 11 in oder außer Überdeckung geraten und somit im Sinne von Ventilen den Pumpbetrieb bzw. Motorbetrieb der Axialkolbenmaschine 1 steuern.
Der Antrieb der Kolben 8 erfolgt durch die Schrägscheibe 5, an der die Kolben 8 lediglich axial gehalten sind. Das heißt, während des Drehens des Zylinders 9 gleiten die Gleitschuhe 6 in Umfangsrichtung an der Schrägscheibe 5, wodurch die axiale Bewegung der Kolben 8 erzeugt wird.
Die der Steuerfläche 13 zugewandte Stirnseite des Zylinders 9 ist entsprechend der Wölbung der Steuerfläche 13 sphärisch konkav gewölbt und liegt dichtend an der Steuerfläche 13 an.
Der Zylinder 9 weist eine Bohrung 15 auf, in der er von der Antriebswelle 4 mit Spiel durchfaßt wird, die im Bereich ihrer Enden mittels Wälzlager 16 und 17 gelagert ist. Der Zylinder 9 ist lediglich an seinem der Steuerfläche 13 abgewandten Ende durch ein radial wirksames Stützlager 18 an der Antriebswelle 4 abgestützt. Zwischen der Antriebswelle 4 und dem Stützlager 18 besteht eine in Umfangsrichtung wirksame Drehmitnahmeverbindung 19 in Form einer Keilnut-Verbindung. Der Zylinder 9 ist mittels einer oder mehrerer Druckfedern 21 gegen die Steuerfläche 13 vorgespannt, die gegen die der Steuerfläche 13 abgewandte Stirnseite des Zylinders 9 wirken und an einem sphärischen Lagerteil 22 abgestützt sind, das zum einen den Zylinder 9 mit einer zylindrischen Bohrung umgreift und auf dessen äußerer Kugelfläche die Andruckplatte 7 pendelnd gleitet.
Das Stützlager 18 ist im Bereich einer mit A bezeichneten Ebene angeordnet, die gleichzeitig auch die mittlere Schwenkebene der Schrägscheibe 5 ist.
Im Betrieb der Axialkolbenmaschine 1 wirken am Zylinder 9 eine allgemein mit Fs bezeichnete Steuerflächenkraft, die senkrecht zur Steuerfläche 13 gerichtet ist und den Zylinder 9 von der Steuerfläche 13 abzuheben sucht, und eine axial gerichtete, allgemein mit FER bezeichnete resultierende Belastungskraft, die den Zylinder 9 gegen die Steuerfläche 13 beaufschlagt. Die Steuerflächenkraft Fs ergibt sich im wesentlichen als Summe der partialen Drücke über dem gesamten Druckfeld und möglichen Spaltdrücken, die sich zwischen der Steuerfläche 13 und der auf ihr gleitenden Stirnfläche 23 des Zylinders 9 aufzubauen vermögen und die den Zylinder 9 von der Steuerfläche 13 abzuheben suchen. Auf die Steuerflächenkraft Fs haben mehrere Teilkräfte Einfluß, z. B. die Reibungskräfte, die aufgrund der Verschiebung der Kolben 8 und aufgrund der Strömung an den Wänden der Kolbenbohrungen 11 in beiden axialen Richtungen wirksam sind. Aus Vereinfachungsgründen soll auf eine weitere Beschreibung dieser Teilkräfte verzichtet werden. Die resultierende Belastungskraft FER umfaßt ebenfalls mehrere Teilkräfte und insbesondere eine Belastungskraft FE, mit der auf den Umfang verteilte Belastungszylinder 24 den Zylinder 9 in Richtung auf die Steuerfläche 13 beaufschlagen. Die resultierende Belastungskraft FER umfaßt auch allgemein durch FK bezeichnete Kolbenkräfte, auf die wie schon bei der Erklärung der Steuerflächenkraft Fs nicht weiter eingegangen werden soll. Auch die von den Druckfedern 21 erzeugte, nicht näher bezeichnete Kraft nimmt Einfluß auf die resultierende Belastungskraft FER.
Die Kolben der Belastungszylinder 24 sind mit 25 und die zugehörigen Arbeitsräume mit 26 bezeichnet. Wie Fig. 4 deutlich zeigt, ist jedem Kolben 8 ein Belastungszylinder 24 zugeordnet, wobei die Kolbenbohrungen 11 mit den zu gehörigen Arbeitsräumen 26 der Belastungszylinder 24 durch radiale Kanäle 27 verbunden sind. Die Belastungskolben 25 sind mittels eines Gleitrings 28 am Gehäuse 2 abgestützt. Sie sind zum Zweck einer automatischen Schmierung der Gleitfläche 29 bei 31 durchbohrt. Während der Gleitring 28 fest am Gehäuse 2 befestigt ist, nehmen die Belastungskolben 25 an der Drehbewegung des Zylinders 9 teil. Zur Aufnahme der Belastungszylinder 24 weist der Zylinder 9 einen Flansch 32 auf.
Sowohl die Steuerflächenkraft Fs als auch die von den Belastungszylindern 24 erzeugte Belastungskraft FE sind pulsierende Kräfte. Dies ergibt sich aufgrund des Druckaufbaus bzw. -abfalls in den Kolbenbohrungen 11.
Da die Steuerflächenkraft Fs nicht parallel zur Drehachse 3 gerichtet ist, ist ihre parallel zur Drehachse 3 gerichtete Steuerflächenkraftkomponente FSK geringer.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die in axialer Richtung einander entgegengesetzt am Zylinder 9 wirkenden Kräfte im Gleichgewicht stehen. Berücksichtigt man, daß die Steuerflächenkraftkomponente FSK von der Drehachse 3 einen geringeren Abstand a als die resultierende Belastungskraft FER aufweist, deren Abstand zur Drehachse 3 mit b bezeichnet ist, dann ergibt sich im Vergleich mit der Steuerflächenkraftkomponente FSK eine verhältnismäßig geringere Größe der resultierenden Belastungskraft FER, um ein Kräftegleichgewicht herzustellen. Um dies Kräftegleichgewicht zu erreichen, sind die Arbeitsflächen (Durchmesser d) der Belastungszylinder 24 entsprechend ausgelegt.
Da die Steuerflächenkraft Fs schräg gerichtet ist, ergibt sich eine radial gerichtete Kraftkomponente FR, die den Zylinder 9 radial belastet. Um diese radiale Kraftkomponente FR unschädlich zu machen, ist erfindungsgemäß der Radius R der Steuerfläche 13 so groß bemessen, daß die Kraftlinien der Steuerflächenkraft Fs und der resultierenden Belastungskraft FER sich in einem Punkt S schneiden, der auf der Querebene A liegt, in der der Zylinder 9 radial abgestützt ist. Aufgrund dieser Ausgestaltung vermag die radiale Kraftkomponente FR kein Kippmoment auf den Zylinder 9 auszuüben.
Die Ausführungsform des zweiten Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 2 unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel lediglich dadurch, daß die Achsen der Kolben 8 in Richtung auf die Steuerfläche 13 konvergieren. Infolgedessen werden die Kolben 8 auf einer Bahn gedreht, die sich zur Steuerfläche 13 hin kegelig verjüngt. Bei einer solchen Ausgestaltung ist im Vergleich mit dem ersten Ausführungsbeispiel die Größe des Druckfeldes
und damit auch die Steuerflächenkraft Fs verringert, was auch durch einen verhältnismäßig geringen, wirksamen Abstand a bedingt ist. Bei dieser Ausführungsform ist die Belastungskraft FER im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel etwas schräg gerichtet. Im Prinzip ergeben sich beim zweiten Ausführungsbeispiel gleiche Kraftverhältnisse wie beim ersten Ausführungsbeispiel.
Das dritte Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 unterscheidet sich vom zweiten Ausführungsbeispiel im wesentlichen dadurch, daß keine den Zylinder 9 in Richtung auf die Steuerfläche 13 beaufschlagende Druckfedern vorgesehen sind, die gemäß Fig. 1 mit 21 bezeichnet sind. Statt dessen sind entsprechende Federn 21 in den Belastungszylindern vorgesehen, wo sie sowohl ein Abheben der Kolben 24 im drucklosen Zustand, als auch eine wirksame Anlage des Zylinders 9 an die sphärische Steuerfläche bewirken. Eine gewisse Anlagekraft ist nicht schädlich, sofern sie gering ist.
Die Fig. 4 und 5 zeigen einen je wechselseitig um 90° verdrehten Querschnitt durch die Axialkolbenmaschine nach Fig. 1 entlang der Linie IV-IV bzw. in der Ebene der Verbindungskanäle 27. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die Fig. 5 eine gegenüber der Fig. 4 abgewandelte Ausführungsform als viertes Ausführungsbeispiel zeigt. Die Steuerfläche 13 ist mit gestrichelten Linien angedeutet. Die Nierenform der ebenfalls mit gestrichelten Linien dargestellten Steueröffnungen 14 ist deutlich erkennbar.
Das vierte Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 dadurch, daß das mit Querschraffur angedeutete Druckfeld 33 der Steuerfläche 13 um einen bestimmten Winkel w gegen die Totpunktachse 34 verdreht ist. Die Belastungszylinder 24 sind in die gleiche Umfangsrichtung (siehe Drehrichtung 35) um einen Winkel w1 voreilig verdreht. Infolgedessen wirkt die Belastungskraft FE in Anpassung an den Druckaufbau bzw. -abbau in den Kolbenräumen 11 ebenfalls voreilend.