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Die Erfindung betrifft eine Gelenkanordnung, insbesondere für eine Kolben-Gleitschuh-Verbindung einer Axialkolbenmaschine, mit einem Aufnahmeteil für die Aufnahme eines Kopfteils, das zumindest teilweise mit einer sphärischen Oberfläche versehen ist, wobei die sphärische Oberfläche eine Abflachung aufweist, die zumindest teilweise in einem Radius zu einer Abflachungslängsachse angeordnet ist, welche mit einem Winkel gegenüber einer Kopfteillängsachse geneigt ist, wobei das Aufnahmeteil einen freien Öffnungsquerschnitt zur zumindest teilweisen Aufnahme des Kopfteils aufweist. Die Erfindung betrifft ferner eine Gelenkanordnung, insbesondere für eine Kolben-Gleitschuh-Verbindung einer Axialkolbenmaschine, mit einem Aufnahmeteil für die Aufnahme eines Kopfteils.
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Axialkolbenmaschine können als Pumpen oder als Motoren eingesetzt werden. Im Pumpenbetrieb wird mechanische Energie in hydrostatische Energie umgewandelt, wobei die mechanische Energie beispielsweise durch einen Elektromotor bereitgestellt werden kann. Im Motorbetrieb erfolgt eine Umwandlung von hydrostatischer Energie in mechanische Energie, die mittels eines Generators in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Axialkolbenmaschinen weisen gemäß einer Bauart mehrere Zylinder auf, die an einer drehbaren Welle derart befestigt sind, dass sie sich in axialer Richtung erstrecken und auf einem Teilkreis versetzt und in einem Radius zur Wellenachse angeordnet sind. In den Zylindern sind Kolben verschiebbar angeordnet. Die mit den Zylindern rotierenden Kolben werden zum Beispiel durch eine ortsfeste Schrägplatte bewegt. Hierzu ist zur Minimierung der Reibung eine Kolben-Gleitschuh-Verbindung zwischen der Schrägplatte und den Kolben vorgesehen.
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Eine solche Kolben-Gleitschuh-Verbindung für hydrostatische Maschinen ist aus der
DE 42 14 765 A1 bekannt. Der Gleitschuh weist dabei eine kugelpfannenähnliche Aufnahme auf, in der ein Kugelkopf aufnehmbar ist. Die Aufnahme hat eine verjüngte Öffnung, die an einen zylindrisch abgeflachten Abschnitt des Kugelkopfes angepasst ist. Der zylindrische abgeflachte Bereich des Kugelkopfes ist dabei relativ breit, sodass der Kugelkopf mit einer geringen Auflagefläche an der Aufnahme anliegt. Hierdurch können sich Probleme bei der Kraftübertragung ergeben. Ein weiteres Problem ist, dass die Schmierung der Verbindung zwischen der Kugel und der Aufnahme ungleichmäßig erfolgt, sodass es zu einem unverhältnismäßig hohen Abrieb und damit Verschleiß am Kopfteil wie am Aufnahmeteil kommt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Gelenkanordnung aufzuzeigen, welche sich durch eine reduzierte Reibung und damit ein geringeren Verschleiß sowie eine längere Standzeit auszeichnet.
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Eine erste Lösung dieser Aufgabe besteht in einer Gelenkanordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1. Eine zweite Lösung dieser Aufgabe besteht in einer Gelenkanordnung mit den Merkmalen von Anspruch 8. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Erfindungsgemäß ist gemäß Anspruch 1 vorgesehen, dass die Abflachungslängsachse durch einen Abstand exzentrisch zu einem Mittelpunkt der sphärischen Oberfläche des Kopfteils angeordnet ist.
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Dies hat den Vorteil, dass eine größere, nicht unterbrochene sphärische Oberfläche des Kopfteils erhalten bleibt und somit die hydrostatische Entlastung im Betrieb gegenüber der im Stand der Technik bekannten Kolben-Gleitschuh-Verbindung größer ist. Die, insbesondere zylindrische, Abflachung erstreckt sich nun nicht mehr kranzförmig um die sphärische Oberfläche des Kopfteils, sondern hat vielmehr eine U-Form mit zwei Enden, zwischen denen die sphärische Oberfläche des Kopfteils erhalten bleibt.
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Die Abflachungslängsachse kann vorteilhaft in einer Symmetrieebene des Kopfteils liegen. Dies gewährleistet, dass die Abflachung nur bezüglich einer Symmetrierichtung erfolgt und Unwuchten somit verhindert werden.
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Der Abstand von der Abflachungslängsachse zum Mittelpunkt kann größer als 2%, bevorzugt größer als 5%, des Durchmessers der sphärischen Oberfläche des Kopfteils sein. Je größer der Abstand ist, desto größer wird auch der nicht unterbrochene Teil der sphärischen Oberfläche des Kopfteils beziehungsweise der Anteil der sphärischen Oberfläche an der Gesamtoberfläche des Kopfteils sein. Der Abstand von der Abflachungslängsachse zum Mittelpunkt kann aber auch kleiner als 10%, bevorzugt kleiner als 7%, des Durchmessers der sphärischen Oberfläche des Kopfteils sein. Auf diese Weise wird das Kopfteil nicht zu stark geschwächt.
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Besonders vorteilhaft ist zumindest eine Entlastungsrille auf der sphärischen Oberfläche des Kopfteils und/oder einer sphärischen Oberfläche des Aufnahmeteils vorgesehen, wobei die Entlastungsrille vorzugsweise die Abflachung schneidet und/oder ringförmig ist. Aufgrund der Neigung der Abflachung kommt es zu einem unsymmetrischen Druckfeld und somit zu einer einseitigen Andrückung des Kopfteils an die sphärische Oberfläche des Aufnahmeteils. Durch die Entlastungsrille wird die hydrostatische Belastung gleichmäßiger verteilt und der Verschleiß verringert.
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Die Entlastungsrille kann an einem Ende des Kopfteils vorgesehen sein, das einem Hals des Kopfteils gegenüberliegend ist. Es ist darüber hinaus möglich, die Entlastungsrille an einem Abschnitt des Aufnahmeteils vorzusehen, welcher dem Öffnungsquerschnitt gegenüberliegend ist.
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Die zweite Lösung der Aufgabe besteht in einer Gelenkanordnung mit den Merkmalen von Anspruch 8. Erfindungsgemäß ist zumindest eine Entlastungsrille auf einer sphärischen Oberfläche des Kopfteils und/oder des Aufnahmeteils vorgesehen. Aufgrund der Neigung der Abflachung kommt es zu einem unsymmetrischen Druckfeld und somit zu einer einseitigen Andrückung des Kopfteils an die sphärische Oberfläche des Aufnahmeteils. Durch die Entlastungsrille wird die hydrostatische Belastung gleichmäßiger verteilt und der Verschleiß verringert.
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Die Entlastungsrille kann ringförmig sein. Diese rotationssymmetrische Ausführungsform bringt eine besonders hohe hydrostatische Entlastung mit sich. Die ringförmige Entlastungsrille leistet auch einen Beitrag zur gleichmäßigen Verteilung des Schmieröls in der Gelenkanordnung.
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Zweckmäßigerweise ist die Entlastungsrille an einem Ende des Kopfes vorgesehen, das einem Hals des Kopfteils gegenüberliegend ist. Die Entlastungsrille kann aber mit Vorteil auch in einem Abschnitt des Aufnahmeteils vorgesehen sein, welcher einem freien Öffnungsquerschnitt zur zumindest teilweisen Aufnahme des Kopfteils gegenüberliegend angeordnet ist.
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Besonders vorteilhaft ist die sphärische Oberfläche des Kopfteils mit einer, insbesondere zylindrischen, Abflachung versehen, die zumindest teilweise in einem Radius zu einer Abflachungslängsachse angeordnet ist, welche mit einem Winkel gegenüber einer Kopfteillängsachse geneigt ist und welche vorzugsweise in einer Symmetrieebene des Kopfteils liegt, wobei das Aufnahmeteil einen freien Öffnungsquerschnitt zur zumindest teilweisen Aufnahme des Kopfteils aufweist. Insbesondere ist die Abflachungslängsachse durch einen Abstand exzentrisch zu einem Mittelpunkt der sphärischen Oberfläche des Kopfteils angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass eine größere, nicht unterbrochene Oberfläche des Kopfteils erhalten bleibt und somit die hydrostatische Entlastung im Betrieb gegenüber der im Stand der Technik bekannten Kolben-Gleitschuh-Verbindung größer ist. Die Abflachung erstreckt sich nun nicht mehr kranzförmig um die sphärische Oberfläche des Kopfteils, sondern hat vielmehr eine U-Form mit zwei Enden, zwischen denen die sphärische Oberfläche des Kopfteiles erhalten bleibt. Die Anordnung der Abflachungslängsachse in der Symmetrieebene hat den Vorteil, dass Unwuchten verhindert werden.
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Besonders vorteilhaft kann die Entlastungsrille die Abflachung schneiden.
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Der Abstand von der Abflachungslängsachse zum Mittelpunkt ist vorteilhaft größer als 2%, bevorzugt größer als 5%, des Durchmessers der sphärischen Oberfläche des Kopfteils. Je größer der Abstand ist, desto größer wird auch der nicht unterbrochene Teil der sphärischen Oberfläche des Kopfteils beziehungsweise der Anteil der sphärischen Oberfläche an der Gesamtoberfläche des Kopfteils sein. Weiterhin kann der Abstand von der Abflachungslängsachse zum Mittelpunkt kleiner als 10%, bevorzugt kleiner als 7%, des Durchmessers der sphärischen Oberfläche des Kopfteils sein. Auf diese Weise wird das Kopfteil nicht zu stark geschwächt.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen Querschnitt durch eine Axialkolbenmaschine im Ausschnitt;
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2 eine Seitenansicht eines Kolbens mit einem Kopfteil, das außermittig mit einer Abflachung versehen ist;
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3 der Kolben der 2, an dem zusätzlich eine Entlastungsrille vorgesehen ist;
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4 bis 6 den Zusammenbau der erfindungsgemäßen Gelenkanordnung in drei Schritten;
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7 und 8 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gelenkanordnung im Querschnitt, bei der das Kolbenteil mit einer Aufnahme und der Gleitschuh mit einem Kopfteil versehen ist; und
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9 und 10 jeweils einen Kolben mit einer zentrierten Abflachung, wobei in 9 zusätzlich eine Entlastungsrille vorgesehen ist.
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Die 1 bis 10 zeigen mehrere Gelenkanordnungen 110, 210, 310 für eine Kolben-Gleitschuh-Verbindung 118 einer Axialkolbenmaschine 120.
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Die Axialkolbenmaschine 120 ist in einem Ausschnitt in der 1 im Querschnitt dargestellt. Auf einer drehbaren Welle 122 sind drehfest Zylinder 124 angeordnet, sodass die Zylinder 124 mit der Welle 122 rotieren. Es ist eine ungerade Anzahl von Zylindern 124 vorgesehen, die auf einem Teilkreis versetzt angeordnet sind. Die Längsachsen 126 der Zylinder 124 weisen alle den gleichen Radius RZ zur Längsachse 128 der Welle 122 auf. In den Zylindern 124 ist jeweils ein hohler Kolben 130 axial verschiebbar angeordnet. Der Kolben 130 ist von seiner Unterseite 132 her mit einer Bohrung 134 versehen. Diese Bohrung 134 verjüngt sich im Bereich des Übergangs 136 zum einem Kopfteil 138 des Kolbens 130. Am Kopfteil 138 ist eine sphärische Oberfläche 140 vorgesehen, die in einem korrespondierenden Aufnahmeteil 142 eines Gleitschuhs 144 gehalten ist. Auch der Gleitschuh 144 ist mit einer Längsbohrung 146 versehen. Der Gleitschuh 144 ist unter Zwischenschaltung einer Schrägscheibe 148 gleitend an einem Verstellmechanismus 150 gelagert. Über einen Fluideinlass 152 kann eine Flüssigkeit, insbesondere eine Hydraulikflüssigkeit, in einem ersten Arbeitstakt in den Zylinder 124 hineingesogen werden. Über einen Fluidauslass 154 kann die Flüssigkeit anschließend in einem zweiten Arbeitstakt wieder aus dem Zylinder 124 herausgedrückt werden. In einer halben Umdrehung der Welle 122 wird ein Zylinder 124 vollgesogen, während er in der anderen halben Umdrehung der Welle 122 wieder leergedrückt wird. Auf diese Weise kann beispielsweise eine hohe und gleichmäßige Pumpenleistung erbracht werden.
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Wie man in den 2 bis 6 genauer sehen kann, ist der Kolben 130 mit einem Kopfteil 138 versehen, der eine sphärische Oberfläche 140 aufweist. Die sphärische Oberfläche 140 ist mit einer Abflachung 156 versehen. Die Abflachung 156 ist zumindest teilweise in einem Radius RA zu einer Abflachungslängsachse 158 angeordnet, welche mit einem Winkel α gegenüber einer Kopfteillängsachse 160 geneigt ist. Der Winkel α kann insbesondere 25° betragen. Die Abflachungslängsachse 158 liegt in einer Symmetrieebene 162 des Kopfteils 138, die in diesem Fall mit der Bildebene zusammenfällt. Im Gegensatz zu einer mittigen Anordnung der Abflachungslängsachse 358 (vgl. 9) ist in den 2 bis 6 die Abflachung 156 außermittig vorgesehen. Mithin verläuft die Abflachungslängsachse 158 in einem Abstand A (3) zu einem Mittelpunkt 164 der sphärischen Oberfläche 140 des Kopfteils 138. Der Abstand A von der Abflachungslängsachse 158 zum Mittelpunkt 164 beträgt 6% des Durchmessers D der sphärischen Oberfläche 140 des Kopfteils 138. Auf diese Weise ist die Abflachung 156 U-förmig und läuft nicht vollständig beziehungsweise kranzförmig um die sphärische Oberfläche 140 herum. Mithin ist die sphärische Oberfläche 140 größer, als wenn die Abflachungslängsachse 158 durch den Mittelpunkt 164 verlaufen würde, wie in 9 gezeigt.
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Um die ausreichende Schmierung der Gelenkanordnung 110 sicherzustellen, sind im Kopfteil 138 und im Aufnahmeteil 142 Längsbohrungen 134, 146 vorgesehen, die endseitig angefast sind. Die Längsbohrung 134 im Kolben 130 hat dabei einen größeren Durchmesser DB als die Längsbohrung 146 des Gleitschuhs 144.
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Um das unsymmetrische Druckfeld und somit eine einseitige Andrückung an der sphärischen Oberfläche 140 zu vermeiden, kann zusätzlich eine Entlastungsrille 166 vorgesehen sein, wie in 3 dargestellt. Die Entlastungsrille 166 ist ringförmig und verläuft um die gesamte sphärische Oberfläche 140 des Kopfteils 138. Die Entlastungsrille 166 ist rotationssymmetrisch zur Längsachse 160 des Kopfteils 138. Die Entlastungsrille 166 schneidet die Abflachung 156 an, kann aber auch in einem Abstand zur Abflachung 156 angeordnet sein. Der Grund 168 der Entlastungsrille 166 ist bogenförmig ausgeführt. Eine eckige Ausführungsform des Grundes 168 ist aber auch möglich. Die Entlastungsrille 166 verläuft an einem Ende 170 des Kopfteils 138, das einem Hals 172 des Kopfteils 138 gegenüberliegend ist.
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Die 4 bis 6 verdeutlichen den Zusammenbau der erfindungsgemäßen Gelenkanordnung 110. Der Kolben 130 wird gegenüber dem freien Öffnungsquerschnitt 174 des Aufnahmeteils 142 gekippt eingeführt, um die Abflachungslängsachse 158 und die Längsachse 176 des Aufnahmeteils 142 konzentrisch zueinander auszurichten. Der freie Öffnungsquerschnitt 174 weist dabei einen geringeren Durchmesser DQ als den Durchmesser DO der sphärischen Oberfläche 178 des Aufnahmeteils 142 auf. Auf diese Weise kann das Kopfteil 138 ohne zusätzliches Werkzeug und ohne eine Nachbearbeitung des Aufnahmeteils 142, beispielsweise durch Umbördeln einer Wandung im Bereich des Öffnungsquerschnittes 174, in das Aufnahmeteil 142 eingeführt werden. Zum vollständigen Einschieben muss der Kolben 130 auch in einer Querrichtung 180 verschoben werden, um den Abstand A zwischen der Abflachungslängsachse 158 und dem Mittelpunkt 64 der sphärischen Oberfläche 140 wieder auszugleichen. Anschließend wird der Kolben 130 verschwenkt, um die Kopfteillängsachse 160 konzentrisch zur Längsachse 176 des Aufnahmeteils 142 auszurichten. Im laufenden Betrieb darf der Kolben 130 nur bis zu einem geringeren zulässigen Betriebswinkel β von ca. 15° verschwenkt werden, um ein Entkoppeln des Kopfteils 130 und des Aufnahmeteils 142 der Gelenkanordnung 110 zu verhindern.
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Die 7 und 8 zeigen eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gelenkanordnung 210, bei der der Kolben 230 mit einem Aufnahmeteil 242 und der Gleitschuh 244 mit einem Kopfteil 238 versehen sind. Der Kolben 230 ist zur Reduzierung der Massenträgheitskräfte hohl und weist dazu eine endseitige Bohrung 234 auf. Über eine weitere Bohrung 235 mit einem geringeren Durchmesser ist diese endseitige Bohrung 235 mit dem Aufnahmeteil 242 verbunden. Das Aufnahmeteil 242 weist eine sphärische Oberfläche 241 auf. In der sphärischen Oberfläche 241 des Aufnahmeteils 242 ist eine Entlastungsrille 266 gegenüberliegend von einem freien Öffnungsquerschnitt 274 vorgesehen. Am Gleitschuh 244 ist das Kopfteil 238 angeordnet, das mit einem Gleitteil 239 über einen Hals 272 verbunden ist. Das Kopfteil 238 weist ebenfalls eine sphärische Oberfläche 240 auf. Die sphärische Oberfläche 240 des Kopfteils 238 ist mit einer außermittigen Abflachung 256 versehen. Die Abflachung 256 weist einen Radius RA zu einer Abflachungslängsachse 258 auf. Zudem ist die Abflachungslängsachse 258 um einen Winkel α von ca. 25° gegenüber einer Längsachse 260 des Kopfteils 238 geneigt. Weiterhin verläuft die Abflachungslängsachse 258 in einer in der Bildebene liegenden Symmetrieebene 262 des Kopfteils 238. Schließlich ist die Abflachungslängsachse in einem Abstand A exzentrisch zu einem Mittelpunkt 264 der sphärischen Oberfläche 240 des Kopfteils 238 angeordnet. Die 8 verdeutlicht, wie der Kolben 230 bei der Montage am Kopfteil 238 zunächst anzukippen und dann das Kopfteil 238 einzuführen ist. Durch das Ankippen werden die Abflachungslängsachse 258 und eine Längsachse 276 des Aufnahmeteils 242 zueinander ausgerichtet. Der Radius RA des Kopfteils 238 ist Bereich der Abflachung 256 geringer als der halbe Durchmesser D der sphärischen Oberfläche 240 des Kopfteils 238, so dass es möglich ist, das Kopfteil 238 in das Aufnahmeteil 242 einzuführen, obwohl der Öffnungsquerschnitt 274 vom Durchmesser her kleiner ist als die übrige sphärische Oberfläche 241 des Aufnahmeteils 242.
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Die 9 und 10 zeigen eine Ausführungsform der Gelenkanordnung 310 bei der eine zylindrische Abflachung 356 mittig am Kopfteil 338 vorgesehen ist. Mithin verläuft die Abflachungslängsachse 358 durch den Mittelpunkt 364 der sphärischen Oberfläche 340 des Kopfteils 338. Die Abflachungslängsachse ist um einen Winkel α von 25° gegenüber einer Kopfteillängsachse 360 geneigt. In 9 ist eine Entlastungsrille 366 am Kopfteil 338 an einem einem Hals 372 des Kopfteils 338 gegenüberliegenden Ende 370 vorgesehen. Die Entlastungsrille 366 bewirkt, dass die beaufschlagten Flächen im Spalt 341 zwischen dem Kopfteil 338 und einem Aufnahmeteil 342 annähernd gleich groß sind, was in den 9 und 10 durch Ellipsen 343 hervorgehoben ist, sodass das Kopfteil 338 immer mit derselben Kraft gegen das Aufnahmeteil 342 drückt. Auf diese Weise ist die Gefahr eines einseitigen Verschleißes der sphärischen Oberfläche 340 des Kopfteils 338 verringert.
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Durch die erfindungsgemäßen Gelenkanordnungen 110, 210, 310, werden Verbindungen eines Kopfteils 138, 238, 338 mit einem Aufnahmeteil 142, 242, 342 aufgezeigt, die hydrostatisch entlastet sind. Aufgrund der Abflachung 156, 256, 356 kann das Kopfteil 138, 238, 338 in das Aufnahmeteil 142, 242, 342 eingeführt und dort sicher gehalten werden, ohne dass es einer Nachbearbeitung des Öffnungsquerschnittes 174, 274 nach dem Einführen bedarf. Durch die außermittige Anordnung der Abflachung 156, 256 wird der Flächenanteil der sphärischen Oberfläche 140, 240 am Kopfteil 138, 238 vergrößert. Aufgrund der Entlastungsrille 166, 266, 366 verteilt sich der hydrostatische Druck auf das Kopfteil 138, 238, 338 gleichmäßiger, sodass der Verschleiß des Kopfteils 138, 238, 338 geringer ausfällt. Mithin weisen die Gelenkanordnungen 110, 210, 310 deutliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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