Die Erfindung betrifft eine hydrostatische Axialkolbenmaschine in
Schrägscheibenbauweise mit mehreren in einer Zylindertrommel axial verschiebbar
gelagerten Kolben, die an einer Gleitfläche mittels jeweils eines Gleitschuhs
abgestützt und hydrostatisch entlastet sind, der eine der Gleitfläche
zuweisende Gleitschuhplatte aufweist und an der der Gleitschuhplatte gegenüberliegenden
Seite mit dem Kolben in Verbindung steht, wobei an der Gleitschuhplatte ein Dichtsteg
gebildet ist und der Gleitschuh mit einer von dem Kolben zur Gleitfläche führenden
Bohrung versehen ist.
Bei derartigen Schrägscheibenmaschinen sind die Kolben mittels
jeweils eines Gleitschuhs auf einer Gleitfläche abgestützt und hydrostatisch
entlastet, um Reibkräfte zwischen den Kolben und der Schrägscheibe zu
vermindern und somit einen hohen Wirkungsgrad der Maschine zu erzielen. Die Gleitfläche
kann hierbei von einer festen oder neigbaren Schrägscheibe bzw. einer mit der
Schrägscheibe drehfest verbundenen Gleitscheibe gebildet werden. Die hydrostatische
Entlastung erfolgt mittels einer Bohrung in den Gleitschuhen, die sich von dem mit
dem Kolben in Verbindung stehenden Bereich in Richtung zur Gleitschuhplatte erstreckt.
Die Bohrung steht hierbei mit einer Längsbohrung im Kolben in Verbindung wodurch
Druckmittel vom Kolben zur Gleitschuhplatte strömen kann.
Bei einer als Hydromotor verwendeten Schrägscheibenmaschine sind
weiterhin hohe Anforderungen an die Gleichförmigkeit der Bewegung vorallem
beim Anlaufen aus dem Stand und beim Betrieb mit niedrigen Drehzahlen gestellt.
Bei einem dem Hydromotor zuströmenden konstanten Druckmittelstrom wird sich
eine gleichförmige Drehbewegung nur ergeben, wenn die Änderung der Leckage
an den Gleitschuhen über dem Drehwinkel des Hydromotors möglichst gering
ist.
Bei bekannten Axialkolbenmaschinen werden Gleitschuhe verwendet, deren
Gleitschuhplatte eben ausgeführt ist. Die Gleitschuhplatte weist hierbei eine
mit der Bohrung in Verbindung stehende Drucktasche und einen die Drucktasche konzentrisch
umgebenden Dichtungssteg auf. Der Dichtungssteg, der gleichzeitig die Lauffläche
des Gleitschuhs bildet, ist somit eben und im unbelasteten Zustand parallel zur
Gleitfläche angeordnet. Um weiterhin eine entsprechend geringe Leckage an den
Gleitschuhen zu erreichen, ist der Dichtungssteg der Gleitschuhe entsprechend breit
ausgeführt.
Während des Betriebs einer Schrägscheibenmaschine tritt
an der Verbindungsstelle zwischen dem Kolben und dem Gleitschuh, beispielsweise
einem Kugelgelenk, Reibung auf, die ein auf den Gleitschuh einwirkendes Kippmoment
erzeugt. Dieses Kippmoment kann eine Schrägstellung des Gleitschuhs zur Gleitscheibe
bewirken, die sich störend auf die Dichtheit und die Reibung an den Gleitschuhen
auswirkt. Zudem verändert sich während eines Arbeitshubs eines Kolbens
die aus der Zylindertrommel herausragende Länge des Kolbens, wodurch sich die
Abstützkräfte des Kolbens in der Zylinderführung und die damit verbundenen
Reibkräfte ebenfalls ändern. Die den Gleitschuh anpressende Normalkraft
ist somit nicht konstant und ändert sich über dem Hub des Kolbens.
Eine gattungsgemäße Axialkolbenmaschine mit einem Gleitschuh,
der einen ebenen Dichtungssteg und somit eine ebene Lauffläche aufweist, ist
aus der DE 42 14 765 A1 bekannt.
In der US 3 466 103 ist eine
gattungsgemäße Axialkolbenmaschine offenbart. Der den Kolben an der Gleitfläche
abstützende Gleitschuh weist eine konkave Drucktasche auf, die von einem ebenen
Dichtungssteg, der die Lauffläsche des Gleitschuhs bildet, konzentrisch umgeben
ist.
Ein Gleitschuh mit einer ebenen Lauffläche verhält sich
unter diesen Bedingungen folgendermaßen:
Infolge des auf den Gleitschuh einwirkenden Kippmoments stellt sich der Gleitschuh
schräg zur Gleitfläche. Diese Neigung des Dichtstegs des Gleitschuhs bezüglich
der Gleitfläche bewirkt unter dem Dichtsteg ein unsymmetrisches Druckprofil,
das ein dem Kippmoment entgegengerichtetes hydrostatisches Aufrichtmoment am Gleitschuh
bewirkt. Dadurch wird einer Leckölzunahme und einem Verkanten des Gleitschuhs
und der damit verbundenen Zunahme der Reibungskräfte entgegengewirkt.
Verringert sich bei derartigen Gleitschuhen mit einer ebenen Lauffläche
und somit einem ebenen Dichtsteg jedoch die den Gleitschuh anpressende Normalkraft
während eines Hubs des Kolbens, vergrößert sich der Abstand der Lauffläche
des Gleitschuhs zur Gleitfläche, wodurch die Höhe des Dichtspalts zwischen
dem Gleitschuh und der Gleitfläche zunimmt. Das Druckprofil im Dichtspalt ändert
sich hierbei über die Höhe des Dichtspalts nur gering, wodurch die hydrostatische
Entlastungskraft trotz veränderter Höhe des Dichtspalts nahezu konstant
bleibt. Mit zunehmender Höhe des Dichtspalts stellt sich somit eine stark erhöhte
Leckage zwischen dem Gleitschuh und der Gleitfläche ein. Über dem Kolbenhub
gibt es somit lediglich einen Punkt, an dem eine konstruktiv festgelegte Entlastung
des Gleitschuhs erzielt werden kann. Für die weiteren Betriebspunkte ist der
Gleitschuh entweder unterkompensiert, wodurch der Gleitschuh in Richtung der Gleitfläche
beaufschlagt wird und somit die Reibung zunimmt, oder der Gleitschuh ist überkompensiert,
wodurch der Gleitschuh von der Schrägscheibe abhebt und die
Höhe des Dichtspalts entsprechend zunimmt. Dadurch tritt eine erhöhte
Leckage auf, die zu einer hohen Leckölpulsation der Maschine führt. Durch
diese Schwankung des Leckölstroms und der Reibkräfte während einer
Umdrehung der Zylindertrommel entsteht eine ungleichförmige Drehbewegung der
Maschine.
Um diese Leckölpulsation zu vermindern, sind Niederhaltevorrichtungen
an den Gleitschuhen erforderlich, die jedoch eine entsprechend genaue Einstellung
und somit einen hohen Bauaufwand erfordern. Desweiteren kann die Leckölpulsation
durch eine zusätzliche Anpressung der Gleitschuhe durch eine Federeinrichtung
verringert werden, wodurch sich jedoch erhöhte Reibung einstellt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schrägscheibenmaschine
der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die geringe Reibung zwischen
den Gleitschuhen und der Gleitfläche sowie eine geringe aufgrund der Leckage
an den Dichtstegen entstehende Leckölpulsation aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß der Dichtsteg an der Gleitschuhplatte des Gleitschuhs als konkave Fläche
ausgebildet ist. Dadurch ergibt sich eine große Änderung der Drosselquerschnitte
über dem Gleitschuhdurchmesser in Abhängigkeit der Höhe des Dichtspalts,
wodurch die im Betrieb der Axialkolbenmaschine an den Gleitschuhen auftretende hydrostatische
Entlastungskraft von der am Dichtsteg des Gleitschuhs auftretenden Höhe des
Dichtspalts abhängig ist. Verringert sich hierbei die den Gleitschuh anpressende
Normalkraft während eines Hubs des Kolbens, vergrößert sich auch
hier die Höhe des Dichtspalts. Daraus resultiert jedoch gleichzeitig ein Absinken
der Entlastungskraft durch die veränderte Druckverteilung im Dichtspalt. Es
stellt sich somit ein Gleichgewicht zwischen der den Gleitschuh belastenden Normalkraft
und der Entlastungskraft ein. Dadurch ergibt sich lediglich eine geringe Zunahme
der Höhe des Dichtspalts und somit der am Dichtspalt auftretenden Leckage.
Bei einer Erhöhung der Normalkraft verringert sich die Höhe des Dichtspalts
und die Entlastungskraft steigt an. Dadurch steigt die Reibung nicht oder nur geringfügig
an. Bei Einwirkung eines ein Kippen des Gleitschuhs bewirkenden Kippmoments bildet
sich in gleicher Weise wie bei einem Gleitschuh mit einer ebenen Lauffläche
ein Aufrichtmoment aus. Durch die Abhängigkeit der Entlastungskraft von der
Höhe des Dichtspalts ergibt sich somit Im Betrieb der Verdrängereinheit
eine geringe Leckölpulsation. Es stellt sich somit eine gleichmäßige
Drebewegung der Zylindertrommel der Maschine ein. Zudem ergibt sich eine geringere
Schwankung des Drehmoments gegenüber einer Verdrängereinheit mit einem
Gleitschuh mit einer ebenen Lauffläche. Durch die verringerte Reibung zwischen
den Gleitschuhen und der Gleitfläche erhöht sich weiterhin der Wirkungsgrad
einer erfindungsgemäßen Verdrängereinheit.
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn sich die konkave Fläche
ausgehend von dem Außenumfang des Gleitschuhs bis in den Bereich der Bohrung
erstreckt. Dadurch wird nahezu die gesamte Fläche der Gleitschuhplatte als
Dichtsteg wirksam.
Die konkave Fläche des Dichtstegs kann verschiedene Formen annehmen
und beispielsweise der Dichtsteg im Längsschnitt des Gleitschuhs gesehen parabelförmig
ausgebildet werden. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht
darin, daß die konkave Fläche des Dichtstegs als kegelige Fläche
ausgebildet ist. Der Dichtsteg ist somit als Mantelfläche eines Kegels ausgebildet.
Dadurch ergibt sich ein geringer Bauaufwand, da eine derartige kegelige Fläche
auf einfache Weise an der Gleitschuhplatte des Gleitschuhs hergestellt werden kann.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung einer erfindungsgemäßen
hydrostatischen Axialkolbenmaschine als Hydromotor, da durch die sich einstellenden
geringen Reibkräfte der Wirkungsgrad eines Hydromotors verbessert werden kann
und durch die verminderte Leckölpulsation die Gleichförmigkeit der Bewegung
eines Hydromotors zunimmt, wodurch sich ein verbessertes Betriebsverhalten des Hydromotors
beim Anlaufen aus dem Stillstand und bei niedrigen Drehzahlen ergibt.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand des
in den Figuren beschriebenen schematischen Ausführungsbeispiels näher
erläutert. Dabei zeigt
1 einen Längsschnitt einer Axialkolbenmaschine
des Standes der Technik,
2 eine Detaildarstellung eines in der 1
verwendeten Gleitschuhs mit den am Gleitschuh wirkenden Kräften und Momente
sowie dem sich einstellenden Druckprofil,
3 eine Detaildarstellung eines in einer erfindungsgemäßen
Axialkolbenmaschine verwendeten Gleitschuhs mit dem sich im Betrieb einstellenden
Druckprofil und
4 den Verlauf der Entlastungskraft über die Höhe
des Dichtspalts eines Gleitschuhs gemäß der 2
und der 3.
Die 1 zeigt den Längsschnitt einer
als Hydromotor verwendeten Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise des
Standes der Technik mit einer Zylindertrommel 1, die mit
einer Abtriebswelle 2 trieblich verbunden ist. Die Zylindertrommel
1 weist mehrere konzentrisch zur Drehachse 11 der Abtriebswelle
2 angeordnete Bohrungen 3 auf, in der jeweils ein Kolben
4 längsverschieblich gelagert ist. Die Kolben 4 sind an dem
aus der Bohrung 3 herausragenden Ende beispielsweise mit einem Kugelkopf
5 versehen, der mit einer an einem Gleitschuhhals eines Gleitschuhs
6 gebildeten kugelförmigen Aussparung in Verbindung steht. Der Gleitschuh
6 weist an der dem Kolben 4 gegenüberliegenden Seite eine
Gleitschuhplatte 7, die mit einer Gleitfläche 8, beispielsweise
einer drehfest an einer Schrägscheibe befestigten Gleitscheibe 12
in Verbindung steht. Eine im Gleitschuh 6 angeordnete Bohrung
9 steht mit einer in dem Kolben 4 angeordneten Längsbohrung
10 in Verbindung, wodurch Druckmittel von dem durch die Bohrung
3 und dem Kolben 4 gebildeten Druckraum zur Gleitschuhplatte
7 strömen kann und somit der Kolben 4 an der Gleitfläche
8 hydrostatisch entlastet ist.
Die 2 zeigt eine Detailansicht des Gleitschuh
6, aus der ersichtlich ist, daß an der Gleitschuhplatte
7 eine ringförmige Drucktasche 16, die mit der koaxial zur
Symmetrieachse 18 angeordneten Bohrung 9 in Verbindung steht,
und ein als ebene Fläche ausgebildeter, die Drucktasche 16 konzentrisch
umgebender Dichtsteg 15 gebildet ist. Die Breite des Dichtsteg
15 wird hierbei von dem Außendurchmesser da und dem Innendurchmesser
di des Dichtstegs festgelegt.
Während des Betriebs einer als Hydromotor verwendeten Axialkolbenmaschine
ist der Gleitschuh durch eine Normalkraft FN belastet, die sich über
den Kolbenhub des Kolbens ändert. Durch die Normalkraft FN tritt
an dem Kugelgelenk zwischen dem Kolben und dem Gleitschuh 6 Reibung auf,
die ein Kippmoment MR bewirkt, das auf den Gleitschuh 6 einwirkt
und diesen um den Winkel &ggr; gegenüber der Gleitfläche 8
schrägstellt. An dem Gleitschuh 6 stellt sich hierbei das in der
2 unten dargestellte Druckprofil 17 ein. Aufgrund
der Schrägstellung des Gleitschuhs 6 zur Gleitfläche
8 und dem daraus resultierenden unterschiedlichen Abstand des Dichtstegs
15 von der Gleitfläche 8 stellt sich unter dem Dichtsteg
15 ein unsymmetrisches Druckprofil 17 ein. Daraus ergibt sich
eine hydrostatische Entlastungskraft FE, die um das Maß e von der
Symmetrieachse 18 des Gleitschuhs beabstandet ist. Die Entlastungskraft
FE bewirkt somit auf den Gleitschuh 6 ein Aufrichtmoment, das
dem Kippmoment MR entgegenwirkt. Zwischen der Gleitfläche
8 und dem Dichtsteg 15 stellt sich eine bestimmte Höhe s
des Dichtspalts ein.
Die 3 zeigt die Detaildarstellung eines
in einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine verwendeten Gleitschuhs
6. Der Dichtsteg 15 ist hierbei als konkave Fläche ausgebildet,
wobei sich der Innendurchmesser di des Dichtsteg 15 bis in den
Bereich der konzentrisch zur Symmetrieachse 18 angeordneten Bohrung
9 erstrecken kann. Die konkave Fläche ist als Mantelfläche eines
Kegels ausgebildet, der eine bestimmte Höhe h aufweist, die gleichzeitig die
Hohlheit der konkaven Fläche und somit des Dichtstegs 15 bildet. Dadurch
ergibt sich ein in Richtung zum Kolben gewölbter Dichtsteg 15. In
der 3 unten ist das sich unter dem Dichtsteg
15 einstellende Druckprofil und die daraus resultierende Entlastungskraft
FE dargestellt, die ebenfalls aufgrund der Schrägstellung des Gleitschuhs
um den Winkel &ggr; und dem dadurch sich einstellenden unsymmetrischen Druckprofil
unter dem Dichtsteg 15 um ein Maß e von der Symmetrieachse
18 beabstandet ist. Die Entlastungskraft FE kann somit ein Aufrichtmoment
bewirken, das der durch das Kippmoment MR bewirkten Schrägstellung
des Gleitschuhs 6 zur Gleitfläche 8 entgegenwirkt.
Die 4 zeigt den qualitativen Verlauf
der Entlastungskraft FE über der Höhe s des Dichtspalts zwischen
dem Dichtsteg 15 und der Gleitfläche 8. Hierbei ist auf der
Abszisse die Höhe s des Dichtspalts und auf der Ordinate die Entlastungskraft
FE eines Gleitschuhs des Standes der Technik gemäß der
2 (Kurve A) und eines Gleitschuhs gemäß der
3 (Kurve B) aufgetragen. Hieraus ist ersichtlich, daß
bei einem Gleitschuh des Standes der Technik (Kurve A) die Entlastungskraft mit
zunehmender Höhe s des Dichtstegs nahezu konstant ist, wodurch sich das bereits
beschriebene Verhalten eines derartigen Gleitschuhs bei einer sich ändernden
Normalkraft FN ergibt. Bei einem Gleitschuh gemäß der
3 (Kurve B) nimmt die Entlastungskraft FE
mit zunehmender Höhe s des Dichtspalts ab.
Bei einer Zunahme der Normalkraft FN während eines
Hubs des Kolbens und einer damit verbundenen Verringerung der Höhe s des Dichtspalts
nimmt somit die Entlastungskraft FE zu. Es wird dadurch vermieden, daß
der Gleitschuh die Gleitscheibe berührt und somit die Reibung ansteigt. Bei
einer Abnahme der den Gleitschuh belastenden Normalkraft FN während
des Kolbenhubs nimmt die Höhe s des Dichtspalts zu, wodurch sich eine Verringerung
der Entlastungskraft FE einstellt. Zwischen der Entlastungskraft FE
und der den Kolben belastenden Normalkraft FN stellt sich ein Gleichgewichtszustand
ein, wodurch sich lediglich eine geringe Zunahme der Höhe s des Dichtspalts
ergibt. Daraus resultiert eine nur geringe Zunahme der Leckage zwischen dem Gleitschuh
und der Gleitfläche während des Arbeitshubs des Kolbens, wodurch sich
eine geringe Leckölpulsation einstellt. Während eines Arbeitshubs des
Kolbens kann somit die Veränderung der den Kolben belastenden Normalkraft FN
von dem Gleitschuh ausgeglichen werden, wodurch zum einen die Reibkräfte zwischen
dem Gleitschuh und der Schrägscheibe als auch die Leckölpulsation
vermindert wird. Es ergibt sich somit eine Axialkolbenmaschine mit verbessertem
Wirkungsgrad und einer verbesserten Gleichförmigkeit der Bewegung vorallem
beim Anlaufen aus dem Stand und dem Betrieb bei niedrigen Drehzahlen einer als Hydromotor
verwendeten Axialkolbenmaschine.
Die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine kann hierbei mit
stillstehender Schrägscheibe und umlaufendem Zylinderblock oder mit stillstehendem
Zylinderblock und umlaufender Schrägscheibe ausgebildet werden. Zudem kann
die Schrägscheibe bezüglich des Winkel, den diese zu einer der Drehachse
der Axialkolbenmaschine senkrechten Ebene einnimmt, veränderbar sein.
