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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine herkömmliche Axialkolbenmaschine weist mehrere in Zylindern angeordnete Kolben und eine Steuerscheibe mit einer Durchgangsöffnung auf, wobei die Steuerscheibe drehfest mit einer Welle verbunden ist. Die jeweiligen Kolben werden durch ein Arbeitsmedium in eine translatorische Bewegung versetzt, wobei die translatorische Bewegung der jeweiligen Kolben ein mit der Welle in Wirkverbindung stehendes Übertragungselement, wie z.B. eine Taumelscheibe, in eine Drehbewegung versetzen. Dabei wird stets nur ein Kolben gleichzeitig von dem Arbeitsmedium angeströmt. Durch die Rotation der Welle wird auch die Durchgangsöffnung der Steuerscheibe rotiert, wodurch die Durchgangsöffnung über die benachbarte Einlassöffnung streicht und den nächstliegenden Zylinder freigibt, wodurch Arbeitsmedium in den nächstliegenden Zylinder geleitet wird. Dementsprechend wird stets der in dem nächstliegenden Zylinder angeordnete Kolben in Bewegung versetzt und treibt die Welle an. Dabei bestimmt der Volumenstrom des Arbeitsmediums, mit dem der jeweilige Kolben angeströmt wird, die Leistung der Axialkolbenmaschine. Je größer der Volumenstrom und der Druck des Arbeitsmediums sind, desto größer ist die Leistung der Axialkolbenmaschine.
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Bei einer herkömmlichen Axialkolbenmaschine wird das Arbeitsmedium bei jeder Umdrehung der Steuerscheibe gleichmäßig in jeden Zylinder geleitet. Ein Variieren der Leistung der Axialkolbenmaschine durch gezielte Abschaltung einzelner Zylinder ist nicht möglich. Anders formuliert: Der jeweilige Kolben wird entweder gleichmäßig angeströmt, oder gar nicht.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für eine Axialkolbenmaschine der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine Axialkolbenmaschine mit mehreren Zylindern, denen jeweils eine Einlassöffnung zugeordnet ist und in denen Kolben angeordnet sind, bereit zu stellen, bei der durch Verdrehen eines koaxial zwischen einer Steuerscheibe und den Einlassöffnungen angeordneten Steuerscheibensitzes, der zumindest teilweise fluchtend zu den Einlassöffnungen angeordnete Öffnungen aufweist, eine Leistung der Axialkolbenmaschine durch Variation eines Durchlassquerschnitts in den jeweiligen Zylinder bzw. Durchlassanzahl (Zylinderabschaltung) beeinflusst werden kann. Der Steuerscheibensitz wird dabei z.B. über eine Einrichtung zum Verdrehen des Steuerscheibensitzes verstellt. Die Zylinder sind ringförmig und koaxial zu einer Welle angeordnet, wobei jedem Zylinder eine Einlassöffnung zugeordnet ist. Die Steuerscheibe ist drehfest mit einer Welle verbunden und weist eine exzentrisch angeordnete Durchgangsöffnung auf, die bei jeder Umdrehung der Steuerscheibe jede Einlassöffnung einmal überstreicht und dabei Arbeitsmedium in den zugehörigen Zylinder leitet, wodurch der zugehörige Kolben in eine translatorische Bewegung versetzt wird. Bei einer bestimmten Position des Steuerscheibensitzes bilden die Öffnungen des Steuerscheibensitzes und die Einlassöffnungen jeweils einen Kanal. Durch diesen Kanal wird das Arbeitsmedium geleitet, wenn dieser Kanal von der rotierenden Durchgangsöffnung der Steuerscheibe freigegeben wird. Mit anderen Worten: Um es zu ermöglichen, dass das Arbeitsmedium den jeweiligen Kolben anströmt, müssen sich sowohl die Steuerscheibe als auch der Steuerscheibensitz in einer Position befinden, in der die Durchgangsöffnung der Steuerscheibe, eine der Öffnungen des Steuerscheibensitzes und die zugehörige Einlassöffnung des Zylinders, in dem der jeweilige Kolben angeordnet ist, einen durchlässigen Kanal bilden. Die Anströmung des jeweiligen Kolbens durch das Arbeitsmedium wird dementsprechend sowohl durch die Position der Steuerscheibe als auch durch die Position des Steuerscheibensitzes beeinflusst. Es ist zweckmäßig, wenn der Steuerscheibensitz tribologisch optimiert ausgeführt ist, um den Wirkungsgrad der Axialkolbenmaschine negativ beeinflussende Reibungsverluste beim Rotieren des Steuerscheibensitzes zumindest zu reduzieren.
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Eine mögliche Ausführungsform schlägt vor, dass der Steuerscheibensitz in eine Position rotierbar ist, in der er zumindest eine Einlassöffnung teilweise oder vollständig freigibt. Dabei kann der Steuerscheibensitz in eine Position verdreht sein, in der er die zumindest eine Einlassöffnung vollständig freigibt, wodurch der zugehörige Kolben von einem größtmöglichen Volumenstrom des Arbeitsmediums angeströmt wird und wodurch der jeweilige Kolben eine größtmögliche Leistung erbringt. Es ist auch möglich, dass der Steuerscheibensitz in eine Position rotiert ist, in der er die zumindest eine Einlassöffnung nur teilweise freigibt und dadurch als Drossel wirkt. Dadurch wird der zugehörige Kolben nur von einem geringeren Volumenstrom des Arbeitsmediums angeströmt, wodurch der jeweilige Kolben nicht die größtmögliche Leistung erbringt. Dies ermöglicht eine anpassbare Leistung der Axialkolbenmaschine durch Variierung des Volumenstroms des Arbeitsmediums, durch das der jeweilige Kolben angeströmt wird. Mit anderen Worten: Dies ermöglicht eine lastabhängige Anpassung des Schluckvolumens des jeweiligen Kolbens bis hin zur Nulllast. Dies ist vorteilhaft, da es durch die Veränderung der Position des Steuerscheibensitzes möglich ist, so die Leistung zu modulieren bzw. den Wirkungsgrad der Axialkolbenmaschine zu erhöhen, ohne den Zustrom des Arbeitsmediums zur Axialkolbenmaschine zu variieren. Generell kann der Steuerscheibensitz auch in eine Position verdreht werden, in der er zumindest eine Einlassöffnung vollständig schließt, wodurch eine Zylinderabschaltung ermöglicht wird.
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Eine weitere mögliche Ausführungsform schlägt vor, dass der Steuerscheibensitz in eine Position rotierbar ist, in der er sämtliche Einlassöffnungen verschließt. Verschließt der Steuerscheibensitz sämtliche Einlassöffnungen, so kann kein Kolben von dem Arbeitsmedium angeströmt werden, wodurch auch die Welle nicht mehr angetrieben wird. Die Axialkolbenmaschine ist dementsprechend au-ßer Betrieb gesetzt, unabhängig davon, in welcher Position sich die Durchgangsöffnung der Steuerscheibe befindet. Die Axialkolbenmaschine mittels des Steuerscheibensitzes außer Betrieb zu setzen, ist dann vorteilhaft, wenn man die Axialkolbenmaschine nur für sehr kurze Zeit abschalten möchte.
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Zweckmäßig kann vorgesehen sein, dass der Steuerscheibensitz zumindest eine Zusatzöffnung aufweist, deren Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser der jeweiligen Einlassöffnung. Hierdurch kann der jeweilige Zylinder mit Arbeitsmedium geschmiert werden, ohne angetrieben zu werden.
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Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die jeweilige Zusatzöffnung und eine zugehörige Einlassöffnung bei einer bestimmten Position des Steuerscheibensitzes einen Kanal bilden, durch den Arbeitsmedium in den zugehörigen Zylinder strömt. Selbstverständlich ist es dazu notwendig, dass sich auch die Durchgangsöffnung der Steuerscheibe in einer Position befindet, in der die Durchgangsöffnung, die zugehörige Zusatzöffnung und die zugehörige Einlassöffnung einen Kanal bilden. Durch diesen Kanal strömt ein wesentlich geringeres Volumen des Arbeitsmediums in den zugehörigen Zylinder. Dies ist vorteilhaft, da das Arbeitsmedium, das durch den von der Durchgangsöffnung, der zugehörigen Zusatzöffnung und der zugehörigen Einlassöffnung gebildeten Kanal strömt, nicht zum Antrieb des jeweiligen Kolbens, sondern lediglich zur Schmierung des jeweiligen Zylinders dient. Ist ein Kolben längere Zeit nicht durch das Arbeitsmedium angeströmt, so kann es bei der erneuten Inbetriebnahme des jeweiligen Kolbens zu Reibungsverlusten zwischen Kolben und Zylinder kommen. Dementsprechend ist es vorteilhaft, wenn der jeweilige Zylinder, in dem der zugehörige inaktive Kolben angeordnet ist durch das durch die Zusatzöffnung geleitete Arbeitsmedium geschmiert wird, da dadurch Reibungsverluste bei der erneuten Inbetriebnahme des jeweiligen Kolbens zumindest reduziert werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass an dem Steuerscheibensitz eine randseitige Außenverzahnung vorgesehen ist, welche mit einem Antriebsritzel in Eingriff steht, wobei eine Rotation des Antriebsritzels eine Rotation des Steuerscheibensitzes bewirkt. Die zum Verdrehen des Steuerscheibensitzes vorgesehene Einrichtung kann beispielsweise ein Elektromotor oder eine hydraulische oder pneumatische Stelleinrichtung sein, wobei über eine Rotation des Antriebsritzels die Leistung der Axialkolbenmaschine beeinflussbar ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das Antriebsritzel an einer Ritzelwelle angeordnet ist, wobei an der Ritzelwelle eine Dichtung angeordnet ist. Ist an der Ritzelwelle eine Dichtung angeordnet, so ist dies vorteilhaft, da dadurch eine Leckage des Arbeitsmediums durch das Antriebsritzel bzw. vorbei an der Ritzelwelle weitgehend oder vollständig verhindert werden kann. Die Dichtung sorgt ferner dafür, dass es in der Axialkolbenmaschine nicht zu einem ungewollten Druckverlust kommt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die Dichtung eine Labyrinthdichtung ist. Die Dichtwirkung der Labyrinthdichtung bzw. der Spaltdichtung beruht auf der Verlängerung des Strömungsweges, den das Arbeitsmedium bei einer möglichen Leckage entlang der Ritzelwelle zurücklegen muss, wodurch der Strömungswiderstand, den das Arbeitsmedium überwinden muss, damit es zu einer Leckage kommen kann, wesentlich erhöht wird. Aufgrund des hohen Strömungswiderstandes entlang der Ritzelwelle kann nur ein sehr geringes Volumen des Arbeitsmediums durch die Labyrinthdichtung austreten. Eine absolute Dichtheit ist mit einer Labyrinthdichtung nicht möglich, jedoch ist dies für eine Axialkolbenmaschine auch nicht zwingend nötig. Ist die Dichtung eine Labyrinthdichtung, so ist dies vorteilhaft, da es dadurch möglich ist, die Dichtung verschleißfrei auszuführen.
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Zweckmäßig kann ferner vorgesehen sein, dass sich eine ringförmige Nut in einem Zylinderkopf erstreckt, in die ein senkrecht von dem Steuerscheibensitz abstehender Zapfen in der Art einer Nut-Federführung eingreift und bei der Rotation des Steuerscheibensitzes durch die Nut geführt ist. Der Zapfen und die Nut sind dabei tribologisch optimiert auszuführen, um Reibungsverluste bei der Rotation des Steuerscheibensitzes zu reduzieren. Der Steuerscheibensitz ist bei der Rotation durch die Seitenwände der Nut geführt. Es verlässt den Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht, wenn der Zapfen zwar in die Nut eingreift, jedoch bei der Rotation des Steuerscheibensitzes einen Abstand zu den Seitenwänden der Nut aufweist. Dies ist zweckmäßig, da dadurch Reibungsverluste zwischen dem Zapfen und den Seitenwänden der Nut vermieden werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Nut an zumindest einem Bereich unterbrochen ist, wodurch die Rotation des Steuerscheibensitzes begrenzt ist. Es ist denkbar, dass die Axialkolbenmaschine derart ausgeführt sein kann, dass bei Verhinderung einer Rotation des Steuerscheibensitzes durch den Zapfen bzw. durch die Unterbrechung der Nut eine weitere Rotation des Antriebsritzels bzw. der Ritzelwelle gestoppt wird.
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Vorzugsweise kann ferner vorgesehen sein, dass der Zylinderkopf eine Wellenöffnung aufweist, in welcher die Welle angeordnet ist, wobei die Wellenöffnung einen Kragen zum Positionieren/Führen des Steuerscheibensitzes aufweist, der die Wellenöffnung einfasst und axial verlängert. Dies ist vorteilhaft, da dadurch verhindert wird, dass die Rotation der Welle die Rotation des Steuerscheibensitzes beeinflusst oder umgekehrt. Die Welle ist tribologisch durch eine entsprechende, die Gleitreibung reduzierende Werkstoffpaarung optimiert in der Wellenöffnung angeordnet, um den Wirkungsgrad der Axialkolbenmaschine nicht durch Reibungsverluste zwischen der Welle und der Wellenöffnung bzw. dem Kragen negativ zu beeinflussen. Weist die Wellenöffnung einen Kragen auf, so ist dies ferner vorteilhaft, da der Kragen auch dazu dienen kann, den inneren Rand des Steuerscheibensitzes bei der Rotation zu führen. Es verlässt den Rahmen der vorliegenden Erfindung selbstverständlich nicht, wenn der Zylinderkopf lediglich eine Wellenöffnung ohne Kragen aufweist.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch
- 1 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine,
- 2 eine Schnittdarstellung eines Zylinderkopfs einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine, mit einem mehrere Öffnungen aufweisenden, rotierbaren Steuerscheibensitz,
- 3 eine Draufsicht auf den Zylinderkopf einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine.
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Entsprechend der 1 weist eine Axialkolbenmaschine 1 ringförmig um und koaxial zu einer Welle 2 angeordnete Zylinder 3 auf, wobei in den Zylindern 3 Kolben 4 translatorisch verstellbar angeordnet sind. Dabei ist jedem Zylinder 3 eine Einlassöffnung 5 zugeordnet, durch die ein Arbeitsmedium in den Zylinder 3 geleitet werden kann. Durch das Arbeitsmedium werden die Kolben 4 in eine translatorische Bewegung versetzt, wobei dies in einer Bewegung eines mit der Welle 2 in Wirkverbindung stehenden Übertragungselements 6 resultiert, durch welche die Welle 2 in Rotation versetzt wird. Eine drehfest mit der Welle 2 verbundene Steuerscheibe 7 weist eine exzentrisch angeordnete Durchgangsöffnung 8 auf. Dabei überstreicht die Durchgangsöffnung 8 bei jeder Umdrehung der Steuerscheibe 7 jede Einlassöffnung 5 einmal und leitet dabei Arbeitsmedium in den zugehörigen Zylinder 3.
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Erfindungsgemäß ist nun wie insbesondere auch in 2 illustriert, zwischen der nur in der 1 dargestellten Steuerscheibe 7 und den Einlassöffnungen 5 ein verdrehbarer und koaxial zur Steuerscheibe 7 angeordneter Steuerscheibensitz 9 angeordnet, der zumindest teilweise fluchtend zu den Einlassöffnungen 5 angeordnete Öffnungen 10 aufweist. In 2 ist lediglich eine Einlassöffnung 5 schematisch dargestellt. Die Anzahl der in 2 dargestellten Öffnungen 10 ist beispielhaft zu verstehen, es verlässt den Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht, wenn der Steuerscheibensitz 9 mehr oder weniger Öffnungen 10 aufweist. Ferner ist eine Einrichtung 11 zum Verdrehen des Steuerscheibensitzes 9 vorgesehen, die derart ausgebildet ist, dass sie durch ein Verdrehen des Steuerscheibensitzes 9 eine Leistung der Axialkolbenmaschine 1 beeinflusst, indem sie einzelne Öffnungen 10 fluchtend zu den Einlasskanälen 5 anordnet. Dabei ist der Steuerscheibensitz 9 in eine Position rotierbar, in der der Steuerscheibensitz 9 sämtliche Einlassöffnungen 5 verschließt, wodurch kein Arbeitsmedium in die Zylinder 3 geleitet werden kann, wobei dies einem Abschalten der Axialkolbenmaschine 1 entspricht. Der Steuerscheibensitz 9 kann auch in eine Position verdreht werden, in der er zumindest eine Einlassöffnung 5 teilweise oder vollständig freigibt. Gibt der Steuerscheibensitz 9 die jeweilige Einlassöffnung 5 vollständig frei, so kann ein großes Volumen des Arbeitsmediums in die Zylinder 3 geleitet werden, wobei dies in einer hohen Leistung der Axialkolbenmaschine 1 resultiert. Gibt der Steuerscheibensitz 9 die jeweilige Einlassöffnung 5 nur teilweise frei, so kann nur ein geringerer Volumenstrom des Arbeitsmediums in den Zylinder 3 geleitet werden, wobei dies in einer geringeren Leistung der Axialkolbenmaschine 1 resultiert. Verschließt der Steuerscheibensitz eine Einlassöffnung vollständig, so ist der zugehörige Zylinder abgeschaltet.
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An dem Steuerscheibensitz 9 kann eine Zusatzöffnung 12 ausgebildet sein, deren Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser der jeweiligen Einlassöffnungen 5. Dabei bilden die Zusatzöffnung 12 und eine zugehörige Einlassöffnung 5 bei einer bestimmten Position des Steuerscheibensitzes 9 einen Kanal, durch den Arbeitsmedium in den zugehörigen Zylinder 3 strömt, auch wenn die jeweilige Öffnung 10 des Steuerscheibensitzes 9 und die zugehörige Einlassöffnung 5 keinen Kanal bilden (vgl. 2 und 3).
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Entsprechend der 2 und 3 ist an dem Steuerscheibensitz 9 eine randseitige Außenverzahnung 13 (Evolventenverzahnung) ausgebildet, welche mit einem Antriebsritzel 14 in Eingriff steht. Dabei bewirkt eine Rotation des Antriebsritzels 14 eine Rotation des Steuerscheibensitzes 9. Das Antriebsritzel 14 ist an einer Ritzelwelle 15 angeordnet, wobei eine Rotation der Ritzelwelle 15 in einer Rotation des Antriebsritzels 14 und eine Rotation des Antriebsritzels 14 in einer Rotation des Steuerscheibensitzes 9 resultiert. Die Rotationsrichtung des Antriebsritzels 14 und des Steuerscheibensitzes 9 ist in 3 anhand von Pfeilen illustriert. Um eine Leckage des Arbeitsmediums zumindest zu reduzieren, ist an der Ritzelwelle 15 eine Dichtung 16 angeordnet, wobei die Dichtung 16 als Labyrinthdichtung ausgebildet sein kann. Es verlässt den Rahmen der vorliegenden Erfindung selbstverständlich nicht, wenn die Dichtung 16 nicht als Labyrinthdichtung ausgebildet ist. Das Antriebsritzel 14 ist dabei gemäß der 1 zwar vorhanden, jedoch aufgrund der gewählten Schnittebene nicht dargestellt.
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In einem Zylinderkopf 17 erstreckt sich zudem eine kreisförmige Nut 18, in die ein senkrecht von dem Steuerscheibensitz 9 abstehender Zapfen 19 in der Art einer Nut-Federführung eingreift, wobei der Zapfen 19 bei der Rotation des Steuerscheibensitzes 9 durch die Nut 18 geführt ist. Dabei ist die Nut 18 an zumindest einem Bereich unterbrochen, wodurch die Rotation des Steuerscheibensitzes 9 begrenzt ist.
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Wie in 2 und 3 illustriert, weist der Zylinderkopf 17 ferner eine Wellenöffnung 20 auf, in welcher die nur in der 1 dargestellte Welle 2 angeordnet ist. An der Wellenöffnung 20 ist ein Kragen 21 angeordnet, der die Wellenöffnung 20 einfasst und axial verlängert. Der Kragen 21 und Innenwände 22 des Zylinderkopfs 17 dienen zum Positionieren des Steuerscheibensitzes 9.
