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Dokumentenidentifikation DE3145418C2 23.02.1989
Titel Flügelzellen-Schaltmotor
Anmelder Alfred Teves GmbH, 6000 Frankfurt, DE
Erfinder Kahrs, Manfred, Dr., 6200 Wiesbaden, DE;
Kunze, Lothar, 6238 Hofheim, DE
Vertreter Keil, R., Dipl.-Phys. Dr.phil.nat.; Schaafhausen, L., Dipl.-Phys., Pat.-Anwälte, 6000 Frankfurt
DE-Anmeldedatum 16.11.1981
DE-Aktenzeichen 3145418
Offenlegungstag 26.05.1983
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 23.02.1989
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.02.1989
IPC-Hauptklasse F01C 21/12
IPC-Nebenklasse F01C 1/344   F03C 2/30   
Zusammenfassung Der Flügelzellen-Schaltmotor (1) weist einen in einem Gehäuse (2) angeordneten Drehkolben (6), in dem Flügelelemente (7) radial verschiebbar gelagert sind, eine Erhebungskurven aufweisende Hubscheibe (8), sowie seitliche Gehäuseflansche und eine zwischen einem seitlichen Gehäuseflansch (9) und dem Drehkolben (6) angeordnete Zwischenscheibe (25), die auf ihrer dem Drehkolben abgewandten Seite ansteuerbare, druckbeaufschlagte Kompensationsteilflächen (26, 27) aufweist, auf. Um einen einfachen und kostengünstigen Aufbau bei Verwendung von möglichst wenig Rückschlagventilen zu erhalten, weist der erfindungsgemäße Flügelzellen-Schaltmotor (1) zumindest zwei Kompensationsteilflächen (26, 27) auf, die als konzentrisch zueinander angeordnete, durchgehende Ringflächen ausgebildet sind.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Flügelzellen-Schaltmotor mit einem in einem Gehäuse angeordneten Drehkolben, in dem Flügelelemente radial verschiebbar gelagert sind, mit einer Erhebungskurven aufweisenden Hubscheibe, sowie mit seitlichen Gehäuseflanschen, von denen der eine als Schaltflansch ein Wegeventil mit einer den Schaltstufen entsprechenden Anzahl von Stellungen und Steueröffnungen für eine wahlweise Beaufschlagung einer unterschiedlichen Anzahl von Arbeitskammern aufweist und der gegenüberliegende Gehäuseflansch als Halteflansch den Drehkolben lagert, und mit einer zwischen dem Halteflansch und dem Drehkolben angeordneten Zwischenscheibe, die auf ihrer dem Drehkolben abgewandten Seite ansteuerbare, druckbeaufschlagte Kompensationsteilflächen aufweist.

Flügelzellen-Konstantmotore weisen folgenden grundsätzlichen Aufbau auf, wie er bspw. in "Ölhydraulik und Pneumatik" 1978, Nr. 10, S. 552-558 beschrieben ist:

Ein zentrisch im Motor angeordneter Drehkolben besitzt eine Vielzahl von Schlitzen, in denen Flügelelemente radial verschiebbar angeordnet sind. Die einzelnen Zellen werden gebildet, indem die Flügelelemente - mit ihren Köpfen radial gegen die Erhebungskurve der umgebenden Hubscheibe gedrückt - in Umfangsrichtung abdichten und seitlich Gehäuseflansche mit der Hubscheibe verbunden sind, die die Abdichtung der Kammer in axialer Richtung vornehmen. Radial nach innen werden die Zellen vom Drehkolben begrenzt, der zwischen den seitlichen Gehäuseflanschen mit kleinem Spiel für geringe Leckage eingepaßt und drehbar ist. Während des Laufs wird der oberhalb und unterhalb der Flügelelemente wirkende hydraulische Druck so gesteuert, daß sich in den Phasen mit abdichtenden Flügelelementen eine resultierende Kraft ergibt, welche diese radial nach außen gegen die Hubscheibe drückt. Da in bestimmten Phasen die Druckkraft und die Fliehkraft nicht ausreichend vorhanden sind, um die Flügelelemente gegen die Hubscheibe zu drücken, sind zusätzliche Federn zur Unterstützung vorgesehen.

Die Hubbahn der Hubscheibe ist in der Regel mit zwei bis sechs Erhebungskurven versehen, um einen Ausgleich der radial am Drehkolben wirkenden hydraulischen Kräfte und eine gute Ausnutzung des Bauraumes zu erreichen. Die Bewegung und Drehmomentabgabe des Drehkolbens erfolgt, indem das in die sich vergrößernde Zelle einströmende Drucköl auf unterschiedlich große Flügelelementflächen wirkt und somit eine resultierende Umfangskraft erzeugt. Die der unter Hochdruck stehenden Arbeitskammer benachbarte Zelle hat jeweils die Trennfunktion zu der anschließenden, sich beim Lauf des Drehkolbens verkleinernden Zelle, aus der das Öl zum Rücklauf ausgeschoben wird. Zu- und Rücklauf erfolgt dabei meist in axialer Richtung, wobei die entsprechenden Kanäle in einem oder beiden seitlichen Gehäuseflanschen ausgeführt sind.

Bei den bekannten Flügelzellen-Motoren ist regelmäßig einer der Gehäuseflansche als Halteflansch und der andere als Steuerflansch ausgebildet. Der Halteflansch dient zur Aufnahme des Motors und trägt ein Wälzlager, in dem der hydraulisch kraftausgeglichene Drehkolben radial geführt ist; in axialer Richtung wird die Führung von den Laufflächen einer Zwischenscheibe und des Steuerflansches übernommen. Das funktionsnotwendige Laufspiel des Drehkolbens ergibt sich durch Untermaß gegenüber der Hubscheibe. Dieses Laufspiel wird noch dem Arbeitsdruck angepaßt - kleineres Spiel mit höherem Druck wegen geringer Leckage -, indem die Zwischenscheibe zwischen Drehkolben und Halteflansch angeordnet ist, die auf ihrer dem Drehkolben abgewandten Rückseite eine druckbeaufschlagte Kompensationsringfläche besitzt. Die Steuerung des Ölstromes in die bzw. aus den Arbeitskammern und der jeweilige Anschluß der unterhalb der Flügelelemente befindlichen Fußräume des Drehkolbens an den Zu- oder Rücklaufdruck erfolgen über ein System von Kanälen und Steuernieren im Steuerflansch bzw. in der Zwischenscheibe. Zur Abführung des an den seitlichen Laufflächen des Drehkolbens austretenden Schmier- und Lecköls ist ein separater Leitungsanschluß vorgesehen. Der Motor gibt das Drehmoment über eine Evolventen-Innenverzahnung ab, die in die Zentralbohrung des Drehkolbens eingearbeitet ist; er kann dabei bei dieser Ausführung in einfacher Weise auf die Zentrierung und Welle der anzutreibenden Maschine gesteckt werden.

Grundsätzlich unterscheidet man bei Flügelzellen-Motoren zwischen sogenannten Konstantmotoren, d. h. Motoren, die bei konstantem Ölstrom nur eine im wesentlichen gleichbleibende Motordrehzahl zulassen und Schaltmotoren, d. h. Motoren, die mittels Wegeventilen stufenweise auf verschiedene Schluckvolumina und damit verschiedene Motordrehzahlen schaltbar sind.

Die bekannten Konstantmotoren sind reversierbar. Innerhalb der bestimmbaren Kennfeldgrößen können sie auch im Pumpenbetrieb eingesetzt werden; mit den Motoren ist daher auch Bremsbetrieb möglich.

Ein Flügelzellen-Schaltmotor der eingangs genannten Art ist aus der DE-OS 22 28 506 bekannt. Bei diesem Motor ist der bei Konstantmotoren vorgesehene Steuerflansch durch einen sogenannten Schaltflansch ersetzt worden. In diesem ist ein Drei-Stellungs- Wegeventil untergebracht, mit dem der zufließende Ölstrom über entsprechende Ringräume und Kanäle wahlweise einer unterschiedlichen Anzahl von Arbeitskammern verschiedener Größe zugeführt werden kann. So sind bei dem bekannten Motor verschiedene Erhebungskurven in der Hubscheibe vorgesehen, von denen jeweils drei mit unterschiedlichem Hub und sich daraus ergebenden unterschiedlichen Teilschluckmengen V1 und V2 ausgeführt sind. Dadurch können in den drei Stellungen des Schaltventils folgende Beaufschlagungen geschaltet werden:

Stufe I - Teilschluckmenge V1; Stufe II - Teilschluckmenge V2; Stufe III - Teilschluckmenge V1 + V2.


Die jeweils nicht beaufschlagten Kammern erzeugen einen nahezu drucklosen Ölumlauf im Motor, der nur einen geringfügigen Energieverlust zur Folge hat, der etwa den Verlusten der mitlaufenden, unbelasteten Radpaare eines Zahnrad-Schaltgetriebes vergleichbar ist. Die Umschaltung des Motors geschieht im Normalfall mit Handbetätigung des Wegeventil-Schiebers, kann aber auch hydraulisch oder pneumatisch erfolgen. Beim Stufen-Schaltmotor kann die Rückseite der Zwischenscheibe nicht mehr in nur einer durchgehenden Ringfläche ausgeführt werden, weil dann im Bereich der abgeschalteten Kammern das Laufspiel des Drehkolbens zu eingeengt würde und Freßgefahr bestünde. Es ist daher eine Aufteilung der Kompensationsflächen in Teilflächen entsprechend der beaufschlagbaren Kammern und eine entsprechende Druckansteuerung üblich. Bei dem bekannten Schaltmotor mit sechs Arbeitskammern sind dazu sechs nierenförmige Teilflächen vorgesehen. Mit diesen Kompensationsteilflächen wird der an den Steueröffnungen des gegenüberliegenden Schaltflansches wirksame Druck kompensiert.

Wie alle bekannten Flügelzellen-Stufenschaltmotoren ist auch der hier beschriebene Stufenschaltmotor nur für eine Drehrichtung geeignet. Zwar ist dies für viele Anwendungsfälle ausreichend, bei denen nur die allgemeinen Vorteile von Stufenschaltmotoren genutzt zu werden brauchen, die in einer verlustfreien Veränderung der Antriebsdrehzahl und des Antriebsdrehmomentes auf hydraulischem Wege und im Betrieb mit verschiedenen Drehzahlen bei konstanter Leistung, ohne daß eine Verstellpumpe eingesetzt werden muß, bestehen. Für verschiedene andere Anwendungsfälle, bspw. bei Erdbohrgeräten, sind jedoch Schaltmotoren mit zwei Drehrichtungen erforderlich oder gewünscht. Bei solchen reversierbaren Schaltmotoren würde die Druckansteuerung der Teilflächen sehr aufwendig werden, da für sechs Teilflächen zwölf Rückschlagventile vorgesehen sein müßten, die die Verbindung jeder Teilfläche mit dem jeweiligen Druckkanal und die Sperrung zum jeweiligen Rücklaufkanal ermöglichen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem Flügelzellen-Schaltmotor der eingangs genannten Art den Aufbau der Druckkompensation zu vereinfachen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest zwei Kompensationsteilflächen vorgesehen sind, die als konzentrisch zueinander angeordnete, durchgehende Ringflächen ausgebildet sind, und daß die Kompensationsteilflächen entsprechend der Anzahl eingeschalteter, druckbeaufschlagter Arbeitskammern einzeln oder zusammen druckbeaufschlagbar sind.

Sind bei dieser Lösung bspw. zwei Kompensationsteilflächen vorgesehen, so werden in einer Schaltstufe III, in der alle Arbeitskammern unter Druck stehen, beide Kompensationsteilflächen mit dem Systemdruck verbunden, während in den Schaltstufen I und II nur jeweils eine Kompensationsteilfläche mit dem Druck verbunden ist. Der Aufwand zur Druckansteuerung der Ringflächen ist daher erheblich günstiger als mit den bekannten nierenförmigen Teilflächen, weil für jede Ringfläche nur je zwei Rückschlagventile zur Verbindung mit den wechselweise druckführenden Zulauf- und Rücklaufkanälen des Motors vorgesehen sein müssen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Kompensationsteilflächen unterschiedlich wirksame Flächen aufweisen.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist.

Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Flügelzellen-Schaltmotor mit herausgezogener Zwischenscheibe;

Fig. 2 einen Schnitt durch den Flügelzellen-Schaltmotor nach Fig. 1 entlang der Linie II-II.

Der dargestellte Flügelzellen-Schaltmotor 1 weist ein Gehäuse 2 mit einem Druckmitteleinlaß 3 und einem Druckmittelauslaß 4 auf. Im Inneren des Gehäuses 2 befindet sich ein mit einer Welle 5 drehfest verbundener Drehkolben 6 mit radial verschiebbaren Flügelelementen 7, 7&min;, 7&sec; usw., die entlang einer an einer Hubscheibe 8 vorgesehenen Hubkurve gleiten.

Der Raum zwischen dem Drehkolben 6 und der Hubscheibe 8 wird auf einer Seite von einem Halteflansch 9 und auf der anderen Seite von einem Schaltflansch 10 begrenzt. Im Schaltflansch 10 sind zu dem zwischen Drehkolben 6 und Hubscheibe 8 gebildeten Raum hin Öffnungen 11 bis 22 vorgesehen, durch die der Flügelzellen-Schaltmotor mit Druckmittel beaufschlagbar ist und durch die das Druckmittel wieder abgeführt wird. Der Flügelzellen-Schaltmotor 1 ist so gestaltet, daß zur Erzielung unterschiedlicher Drehmomente bzw. Drehzahlen wahlweise verschiedene Öffnungen 11 bis 22 angesteuert werden können. Beispielsweise können über die Öffnungen 14, 18 und 22 drei Arbeitskammern mit Druckmittel beaufschlagt werden. Die Öffnungen 15, 19 und 11 müssen dann mit dem Druckmittelauslaß 4 in Verbindung gebracht werden.

Um nun die Drehzahl eines solchen Flügelzellen-Schaltmotors veränderbar zu machen, ist eine Umsteuerungseinrichtung in Form eines Wegeventils 23 vorgesehen, durch das beispielsweise zusätzlich die Öffnungen 12, 16 und 20 mit Druckmittel beaufschlagbar sind. Es ist natürlich auch möglich, daß die diesen Öffnungen zugeordneten Arbeitskammern ein anderes Schluckvolumen haben als die den Öffnungen 14, 18 und 22 zugeordneten, wodurch sich ein anderes Drehzahlverhältnis ergeben würde.

Zwischen den Drehkolben 6 und dem Halteflansch 9 ist eine Zwischenscheibe 25 angeordnet. Diese Zwischenscheibe 25 hat auf der dem Drehkolben 6 abgewandten Seite zwei umlaufende kreisringförmige Kompensationsteilflächen 26 und 27, die als Nuten in der Zwischenscheibe ausgebildet und zu der gegenüberliegenden Gehäusewand hin abgedichtet sind. Die innere Kompensationsteilfläche 26 wird über Rückschlagventile 30 und 31 (Fig. 1) und die äußere Kompensationsteilfläche 27 über Rückschlagventile 28 und 29 angesteuert. Die Rückschlagventile 29 und 31 sind gegenüber den nierenförmigen Öffnungen 15 und 13, die Rückschlagventile 28 und 30 gegenüber den nierenförmigen Öffnungen 16 und 14 angeordnet.

Je nach Stellung des Steuerschiebers 24 des Wegeventils 23 und der Drehrichtung können die Öffnungen 16 und/oder 14 Zulauf- oder Rücklauföffnungen sein. Die jeweils anderen Öffnungen 15 und 13 sind dann Rücklauf- bzw. Zulauföffnungen.

Somit werden die Kompensationsteilflächen 26, 27 jeweils über das der nierenförmigen Öffnung gegenüberliegende Rückschlagventil an dem Systemdruck angeschlossen. Das andere Rückschlagventil, welches in die gleiche Teilfläche mündet, sperrt dann gegen Rücklauf.

Befindet sich der Steuerschieber 24 nun in der Schaltstufe I, so wird die innere Kompensationsteilfläche 26 von dem unter Druck stehenden Anschluß 3 über das Kugelrückschlagventil 30 mit Druck beaufschlagt. Das Rückschlagventil 31 sperrt gegenüber der Rücklauföffnung. Entsprechend der Schieberstellung (Schaltstufe I) wird die äußere Kompensationsteilfläche 27 nicht mit dem Systemdruck beaufschlagt, da an beiden Öffnungen Rücklaufniveau anliegt. Die axiale Spaltkompensation erfolgt somit nur durch die innere Kompensationsteilfläche. In der Schaltstufe II wird entsprechend die äußere Kompensationsteilfläche 27 mit Druck beaufschlagt, während die innere Kompensationsteilfläche 26 drucklos ist und somit keine Kompensationswirkung hat. Wird der Schaltschieber in Mittelstellung gedrückt (Schaltstufe III) stehen alle Arbeitskammern unter Systemdruck. In dieser in Fig. 1 gezeigten Schaltstufe wird die maximale Kompensationswirkung benötigt. Demzufolge wird über die Rückschlagventile 28 und 30 die äußere und die innere Teilfläche mit Druck versorgt. Die Rückschlagventile 29 und 31 sperren zur jeweiligen Rücklauföffnung. In der reversierten Drehrichtung, die bei diesem Flügelzellen-Schaltmotor nur in Schaltstufe III erfolgt, werden über die Rückschlagventile 29 und 31 beide Kompensationsteilflächen 26, 27 mit Systemdruck beaufschlagt. Die Rückschlagventile 28 und 30 sperren gegenüber den jetzt am Rücklauf anliegenden Steueröffnungen.

Von der unter Druck stehenden Kompensationsteilfläche 26, 27 wird über Bohrungen 32 und 33 der Druck unter dem Flügelelement 7, 7&min;, 7&sec; etc. im Trennbereich aufrechterhalten.

Bezugszeichenliste:

1 - Flügelzellen-Schaltmotor

2 - Gehäuse

3 - Druckmitteleinlaß

4 - Druckmittelauslaß

5 - Welle (nicht näher dargestellt)

6 - Drehkolben

7 - Flügelelement

8 - Hubscheibe

9 - Halteflansch

10 - Schaltflansch

11 - Öffnung zur Arbeitskammer

12 - Öffnung zur Arbeitskammer

13 - Öffnung zur Arbeitskammer

14 - Öffnung zur Arbeitskammer

15 - Öffnung zur Arbeitskammer

16 - Öffnung zur Arbeitskammer

17 - Öffnung zur Arbeitskammer

18 - Öffnung zur Arbeitskammer

19 - Öffnung zur Arbeitskammer

20 - Öffnung zur Arbeitskammer

21 - Öffnung zur Arbeitskammer

22 - Öffnung zur Arbeitskammer

23 - Wegeventil

24 - Steuerschieber

25 - Zwischenscheibe

26 - innere Kompensationsteilfläche

27 - äußere Kompensationsteilfläche

28 - Rückschlagventil

29 - Rückschlagventil

30 - Rückschlagventil

31 - Rückschlagventil

32 - Bohrung

33 - Bohrung


Anspruch[de]
  1. 1. Flügelzellen-Schaltmotor mit einem in einem Gehäuse angeordneten Drehkolben, in dem Flügelelemente radial verschiebbar gelagert sind, mit einer Erhebungskurven aufweisenden Hubscheibe, sowie mit seitlichen Gehäuseflanschen, von denen der eine als Schaltflansch ein Wegeventil mit einer den Schaltstufen entsprechenden Anzahl von Stellungen und Steueröffnungen für eine wahlweise Beaufschlagung einer unterschiedlichen Anzahl von Arbeitskammern aufweist und der gegenüberliegende Gehäuseflansch als Halteflansch den Drehkolben lagert, und mit einer zwischen dem Halteflansch und dem Drehkolben angeordneten Zwischenscheibe, die auf ihrer dem Drehkolben abgewandten Seite ansteuerbare, druckbeaufschlagte Kompensationsteilflächen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei Kompensationsteilflächen (26, 27) vorgesehen sind, die als konzentrisch zueinander angeordnete, durchgehende Ringflächen ausgebildet sind, und daß die Kompensationsteilflächen (26, 27) entsprechend der Anzahl eingeschalteter, druckbeaufschlagter Arbeitskammern einzeln oder zusammen druckbeaufschlagbar sind.
  2. 2. Flügelzellen-Schaltmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet. daß die Kompensationsteilflächen (26, 27) unterschiedlich große wirksame Flächen aufweisen.






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