PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE19752021B4 31.05.2007
Titel Hydrostatische Axialkolbenmaschine
Anmelder Linde AG, 65189 Wiesbaden, DE
Erfinder Bergmann, Martin, Dipl.-Ing., 64850 Schaafheim, DE
DE-Anmeldedatum 24.11.1997
DE-Aktenzeichen 19752021
Offenlegungstag 27.05.1999
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 31.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.05.2007
IPC-Hauptklasse F04B 1/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F04B 1/20(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

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.


Anspruch[de]
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, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtsteg (15) an der Gleitschuhplatte (7) des Gleitschuhs (6) als konkave Fläche ausgebildet ist. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die konkave Fläche ausgehend von dem Außenumfang (da) des Gleitschuhs (6) bis in den Bereich der Bohrung (9) erstreckt. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtsteg (15) als kegelige Fläche ausgebildet ist. Verwendung einer hydrostatischen Axialkolbenmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche als Hydromotor.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com