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Die
Erfindung betrifft eine hydrostatische Maschine, insbesondere eine
Axialkolbenmaschine, die als Hydropumpe oder als Hydromotor arbeiten
kann.
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Eine
hydrostatische Maschine nach dem Oberbegriff des Anspuches 1 ist
z.B. aus der
DE 22 08
890 A bekannt. Wie bei hydrostatischen Maschinen in Schiefscheibenbauweise üblich, sind
mehrere mit einer Schiefscheibe zusammenwirkende Kolben vorgesehen,
die zwischen zwei Totpunkten beweglich geführt sind. Ferner ist eine Steuerplatte
vorgesehen, um das Druckmedium in einem ersten Drehwinkelbereich
einer relativen Rotationsbewegung zwischen der Steuerplatte und
den Zylindern aus einer Hochdruckleitung zuzuführen und in einem zweiten Drehwinkelbereich
der Zylinder zur Niederdruckleitung hin abzuführen.
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Um
eine vollständige
Füllung
der Zylinder bei gleichzeitiger Kavitationsverminderung und Geräuschreduzierung
zu erreichen, wird in der
DE
22 08 890 A vorgeschlagen, sowohl die Hochdruck-Steueröffnung als
auch die Niederdruck-Steueröffnung
in Rotationsrichtung geringfügig
gegenüber
der Kolbentotpunktlage symmetrisch zu verdrehen, so daß der Öffnungsdrehwinkelbereich
sich geringfügig über die durch
die Kolbentotpunktlage definierte Winkelstellung hinauserstreckt.
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Dagegen
wird in der
DE 21 52
524 A vorgeschlagen, die Abdeckbereiche zwischen den Steueröffnungen
mit Hilfsdurchlässen
zu versehen und somit im Umschaltbereich eine weichere Steuerung
zu erzielen. Zu einem ähnlichen
Zweck wird in der
DE 14
03 813 A vorgeschlagen, in den Abdeckbereichen zwischen
den Steueröffnungen
axiale Kanäle
vorzusehen, um Hochdruckimpulse zu dämpfen und somit einer möglichen
Kavitationsschädigung
entgegenzuwirken.
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In
der Druckschrift
US
2,780,170 A wird eine hydrostatische Pumpe beschrieben,
bei der ein Kolben eine Ansaugbewegung vollzieht, wobei während der
Ansaugbewegung die Verbindung eines durch den Kolben begrenzten
Zylinderraumes mit der Steueröffnung
unterbrochen wird. Um einer Kavitation in dem Zylinderraum entgegenzuwirken,
wird das Druckmedium in dem Zylinderraum kurz bevor der Zylinderraum
von der Steueröffnung
getrennt wird, durch Einspritzen von zusätzlichem Druckmedium in den
Zylinderraum verdichtet. Das Einspritzen von Druckmedium erfolgt
dabei bei einer quasistatischen Stellung des Kolbens in dem Zylinder.
Daher wird während
des Einspritzvorgangs nur ein geringes Volumen an Druckmedium in
den Zylinderraum eingespritzt.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Steuerplatte
einer hydrostatischen Maschine so weiterzubilden, daß durch
geringfügige Änderung
der Steuerplatte bei ansonsten unveränderter konstruktiver Ausgestaltung
der Maschine das Förder-
bzw. Schluckvolumen variiert werden kann.
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Die
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß durch Verlängern der
Niederdruck-Steueröffnung oder
der Hochdruck-Steueröffnung über die Totpunktlage
der Kolben hinaus und gleichzeitiger Verkürzung der Hochdruck-Steueröffnung bzw.
der Niederdruck-Steueröffnung eine
Variation des effektiven Förder-
bzw. Schluckvolumens erzielt werden kann. Im Pumpbetrieb geschieht
dies dadurch, daß ein
Teil des über
die Niederdruck-Steueröffnung angesaugten
Druckmediums nach Überschreiten
der oberen Totpunktlage der Kolben wieder in die Niederdruckleitung
ausgestoßen
bzw. oder aus der Hochdruckleitung zurückgesaugt wird. Beim Motorbetrieb wird
ein ähnlicher
Effekt dadurch erzielt, daß ein
Teil des in die Niederdruckleitung ausgestoßenen Druckmediums nach Überschreiten
des unteren Totpunkts der Kolben wieder in die Zylinder zurückströmt bzw. wieder
in die Hochdruckleitung ausgestoßen wird.
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Die
Ansprüche
2 bis 8 betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Entsprechend
Anspruch 3 kann der jeweils andere Totpunkt-Drehwinkel zwischen
den beiden Steueröffnungen
liegen. Gemäß Anspruch
4 können die
Steueröffnungen
in an sich bekannter Weise nierenförmig ausgebildet sein und entlang
von konzentrischen Teilkreisabschnitten angeordnet sein. Die Ansprüche 5 und
6 betreffen die Betriebsweise als Hydropumpe bzw. als Hydromotor,
wobei für
den Betrieb als Hydropumpe der obere Totpunkt der Kolben im Drehwinkelbereich
der längeren
Steueröffnung liegt,
während
für den
Betrieb als Hydromotor der untere Totpunkt im Bereich der längeren Steueröffnung liegt.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf
die Zeichnung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1A eine
schematische Ansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten Axialkolbenpumpe
in Schrägachsenbauweise,
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1B eine
Aufsicht auf die Steuerplatte entsprechend 1A,
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1C die
Ansicht nach 1A mit verdrehter Zylindertrommel,
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2A einen
Schnitt durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Axialkolbenmotor
in Schiefscheibenbauweise,
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2B eine
Aufsicht auf die Steuerplatte entsprechend 2A.
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Die
1A bis
1C zeigen
ein erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung für
den Einsatz in einer Axialkolbenpume in Schrägachsenbauweise. Der grundsätzliche
Aufbau von Axialkolbenmaschinen in Schrägachsenbauweise ist bekannt
und beispielsweise in der
DE 42 02
631 C1 der gleichen Anmelderin beschrieben. Die Darstellung
des grundsätzlichen
Aufbaus von Schrägachsen-Axialkolbenmaschinen
erübrigt
sich daher, so daß nachfolgend lediglich
auf die erfindungsgemäßen Unterschiede Bezug
genommen wird.
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In 1A ist
eine Schrägachsen-Axialkolbenmaschine
schematisch dargestellt. Die Zylinder 2, 3 sind
in gleichmäßigen Abständen radial
verteilt in einer Zylindertrommel 1 angeordnet, welche
um eine Rotationsachse 4 rotiert. Dies ist durch den Pfeil 5 angedeutet.
Der Antrieb erfolgt mittels einer Antriebswelle 6, die
um eine Rotationsachse 7 rotiert und in Lagerblöcken 32 und 33 gelagert
ist. Die Zylindertrommel 1 ist in dem Kugelkopf 8 des
Mittelzapfens 9 unter einem festen Verschwenkungswinkel α, den die Rotationsachse 4 der
Zylindertrommel 1 mit der Rotationsachse 7 der
Antriebswelle 6 bildet, gelagert. In den Zylindern 2, 3 sind
Kolben 10, 11 beweglich geführt und stützen sich in Kugelköpfen 12, 13 an
der Endplatte der Antriebswelle 6 ab. Durch die Rotationsbewegung
der Antriebswelle 6 und der Zylindertrommel 1 um
ihre zueinander verschwenkten Rotationsachsen 4, 7 werden
die Kolben 10, 11 periodisch zwischen einem oberen
Totpunkt 14 und einem unteren Totpunkt 15 hin
und her bewegt. In 1A befindet sich der Kolben 10 in
der Lage des unteren Totpunkts 15, während sich der Kolben 11 in
der Lage des oberen Totpunkts 14 befindet. In der Lage
des oberen Totpunkts 14 erreichen die Kolben jeweils ihren
maximalen Kolbenhub, während
die Kolben in der Lage des unteren Totpunkts 15 ihren minimalen Kolbenhub
erreichen. Der maximal erzielbare Förderhub ist daher durch die
Lage der Kolben in dem oberen Totpunkt 14 und dem unteren
Totpunkt 15 vorgegeben und mit dem Bezugszeichen 16 kenntlich
gemacht.
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Die
Zylinder 2, 3 sind über Verbindungskanäle 17, 18 mit
einer im Ausführungsbeispiel
sphärisch konvex
ausgebildeten, feststehenden Steuerplatte 19 verbunden.
Die Steuerplatte 19 weist in bekannter Weise eine Niederdruck-Steueröffnung 20 und
eine Hochdruck-Steueröffnung 21 auf,
um die Zylinder 2, 3 während des Saughubs mit der
lediglich schematisch dargesellten Niederdruckleitung 22 und
während
des Förderhubs
mit der ebenfalls lediglich schematisch dargestellten Hochdruckleitung 23 zu
verbinden. Da die Steuerplatte 19 nicht mit der Zylindertrommel 1 rotiert,
sondern feststeht, werden die Zylinder 2, 3 entsprechend
ihrer Winkelstellung während des
Umlaufs um die Rotationsachse 4 periodisch mit der Niederdruckleitung 22 und
der Hochdruckleitung 23 verbunden, wodurch eine ventilartige
Steuerwirkung entsteht.
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Die
Erfindung betrifft die drehwinkelbezogene Ausbildung der Steueröffnungen 20, 21 in
der Steuerplatte 19. Diesbezüglich wird nachfolgend auf die 1B Bezug
genommen.
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Die
Niederdruck-Steueröffnung 20 und
die Hochdruck-Steueröffnung 21 sind
im dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel nierenförmig ausgebildet
und auf zu einem gemeinsamen Hauptkreis 24 gehörenden Teilkreisabschnitten
in Rotationsrichtung versetzt angeordnet. Die in der 1B senkrecht
durch den Mittelpunkt der Steuerplatte 19 geführte strichpunktierte
Linie 25 deutet die Lage der Totpunkte 14 und 15 an.
Ein Kolben 10, 11 erreicht gerade dann die Lage
des oberen Totpunkts 14, wenn die steuerplattenseitige Öffnung des
zum zugehörigen
Zylinder 2, 3 gehörenden Verbindungskanals 17, 18 bezüglich der
Steuerplatte 19 einen in 1B mit
dem Bezugszeichen 26 kenntlich gemachten oberen Totpunkt-Drehwinkel
erreicht. Umgekehrt nehmen die Kolben 10, 11 die
Lage des unteren Totpunkts 15 genau dann ein, wenn der
zu dem zugehörigen
Zylinder 2, 3 gehörende Verbindungskanal 17, 18 die
Lage des in 1B mit dem Bezugszeichen 27 versehenen
unteren Totpunkt-Drehwinkels 27 erreicht.
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Bei
hydrostatischen Maschinen war es bislang üblich, in der Position des
oberen Totpunkt-Drehwinkels 26 und
des unteren Totpunkt-Drehwinkels 27 Abdeckbereiche als
geschlossene Fläche
vorzusehen, um die Zylinder im Bereich der Totpunkte umzusteuern,
d.h. von der Niederdruckleitung zu trennen und mit der Hochdruckleitung
zu verbinden bzw. umgekehrt von der Hochdruckleitung zu trennen
und mit der Niederdruckleitung zu verbinden. Da sich in den Totpunkten 14, 15 die
Bewegungsrichtung der Kolben 10, 11 von dem Saughub
in den Förderhub
bzw. umgekehrt von dem Förderhub
in den Saughub umkehrt, wird auf diese Weise der maximale Förderhub 16 der
hydrostatischen Pumpe ausgenutzt. Sofern jedoch nur eine gegenüber der
maximalen Fördermenge
reduzierte Fördermenge
benötigt
wird, kann dies bei bekannten hydrostatischen Pumpen nur durch eine
Reduzierung des Schwenkwinkels α,
den die Rotationsachse 4 der Zylindertrommel 1 mit
der Rotationsachse 7 der Antriebswelle 6 bildet,
oder durch Veränderung
der Kolbendurchmesser erreicht werden.
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Bei
sogn. Konstanteinheiten, d.h. hydrostatischen Pumpen mit konstantem,
nicht variablem Schwenkwinkel, bedeutet eine Variation der Fördermenge
daher einen hohen konstruktiven Aufwand, da die Aufhängung der
Zylindertrommel 1 verändert werden
muß, um
den Schwenkwinkel α zu
reduzieren. Um diesen hohen konstruktiven Aufwand zu vermeiden,
schlägt
die vorliegende Erfindung vor, statt einer Variation des Schwenkwinkels α eine Variation der
Anordnung und Ausbildung der Steueröffnungen 20, 21 in
der Steuerplatte 19 vorzusehen. Dabei wird im Ausführungsbeispiel
die Niederdrucköffnung 20 um
einen Winkelbereich β verlängert und
gleichzeitig die Hochdruck-Öffnung 21 um
den gleichen Winkelbereich β verkürzt. Die
Verbindungskanäle 17, 18 sind
dabei in einem ersten Winkelbereich γ über die verkürzte Hochdruck-Steueröffnung 21 mit
der Hochdruckleitung 23 verbunden und in einem zweiten Drehwinkelbereich δ über die
Niederdruck-Steueröffnung 20 mit
der Niederdruckleitung 22 verbunden. Dabei ist die Ausdehnung
der steuerplattenseitigen Öffnungen
der Verbindungskanäle 17, 18 zu
berücksichtigen,
die zur Verdeutlichung in 1B ebenfalls eingezeichnet
sind. Dabei schließt
der zweite Drehwinkelbereich δ,
in welchem die Zylinder 2, 3 mit der Niederdruckleitung 22 verbunden
sind, einen der beiden Totpunkt-Drehwinkel 26, 27 ein.
Für den
Fall, daß die
hydrostatische Maschine wie im Ausführungsbeispiel der 1A und 1B als
Hydropumpe arbeitet, ist dies der Totpunkt-Drehwinkel 26,
der dem oberen Totpunkt 14 der Kolben 10, 11 entspricht.
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Die
erfindungsgemäße Ausbildung
der Steuerplatte bewirkt folgendes:
Nach Passieren des Totpunktwinkels 27 sind
die Zylinder 2, 3 über die Niederdruck-Steueröffnung 20 mit der
Niederdruckleitung 22 verbunden und werden bis zum Erreichen
des Totpunkt-Drehwinkels 26, der dem oberen Totpunkt 14 der
Kolben 10, 11 entspricht, gefüllt. Nach Überschreiten des Totpunkt-Drehwinkels 26 bewegen
sich die Kolben 10, 11 bereits wieder in Richtung
auf die Steuerplatte 19 und drücken einen Teil des sich in
den Zylindern, 2, 3 befindlichen Druckmediums über die
Niederdruck-Öffnung 20 der Steuerplatte 19 in
die Niederdruckleitung 22 zurück. In dem in 1A mit
dem Bezugszeichen 28 versehenen Kolbenhubbereich entsteht
daher ein Blindhub, der den maximalen Förderhub 16 auf einen
reduzierten Förderhub 29 verkürzt. Bei
Erreichen der Kolbenposition 30, die einem in 1B dargestellten Drehwinkel 31 entspricht,
erfolgt die Umsteuerung von der Niederdruckleitung 22 auf
die Hochdruckleitung 23, so daß während des reduzierten Förderhubs 29 das
Druckmedium in die Hochdruckleitung 23 über die Hochdruck-Steueröffnung 21 der
Steuerplatte 19 gepreßt
wird.
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Zur
besseren Verdeutlichung ist in 1C die
Position des Kolbens 11 am Umsteuerpunkt, an dem der Kolben 11 die
Position 30 einnimmt und der Zylinder 3 den in 1B gezeigten
Drehwinkel 31 erreicht, dargestellt. Wie aus 1C zu
erkennen, hat sich durch Verdrehen der Zylindertrommel 1 von
dem Totpunkt-Drehwinkel 25 zum Drehwinkel 31 hin
die Lage des Kolbens 11 von dem Totpunkt 14 zur
Position 30 hin verschoben, was dem vorher beschriebenen
Blindhub entspricht.
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Die
erfindungsgemäß vorgeschlagene
Variation der Steuerplatte 19 hat den Vorteil, daß sie konstruktiv
wesentlich leichter realisierbar ist als eine Variation des Schwenkwinkels α. Insbesondere
können das
Gehäuse
und die Lagereinrichtungen für
die Antriebswelle 6 und die Zylindertrommel 1 unverändert bleiben.
Durch Auswechseln der Steuerplatten kann das effektive Fördervolumen
der Hydropumpe einfach und kostengünstig an vorgegebene Spezifikationen
angepaßt
werden. Für
einen bestimmten Pumpentyp können
hinsichtlich des Winkelbereichs der Niederdruck- und Hochdruck-Steueröffnung abgestufte
Steuerplatten zur Verfügung
stehen, um die Fördermenge
an den zum Einsatzfall geforderten Bedarf anzupassen.
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In
den 2A und 2B ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung zur Erläuterung der
Motorbetriebsweise dargestellt.
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2A zeigt
einen Schnitt durch einen Axialkolbenmotor in Schiefscheibenbauweise.
Da Axialkolbenmaschinen in Schiefscheibenbauart hinreichend bekannt
und z.B. in der
DE
42 02 631 C1 der gleichen Anmelderin beschrieben sind,
wird nachfolgend lediglich auf die erfindungsgemäßen Besonderheiten eingegangen.
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In
der Schnittdarstellung nach 2A ist eine
Zylindertrommel 1 mit einer Antriebsachse 40 drehfest
verbunden. In der Zylindertrommel 1 sind gleichmäßig radial
versetzt Zylinder 2, 3 vorgesehen, in denen Kolben 10, 11 zwischen
einem oberen Totpunkt 14 und einem unteren Totpunkt 15 bewegbar geführt sind.
Die Kolben 10, 11 weisen Kugelköpfe 12, 13 auf,
die in Gleitschuhen 41, 42 gelagert sind und sich
an der ortsfesten Schiefscheibe 43 abstützen. Die Schiefscheibe 43 ist
gegenüber
der Rotationsachse 4 der Antriebswelle 40 und
der Zylindertrommel 1 entsprechend einem Schwenkwinkel α verschwenkt.
Die Zylinder 2, 3 sind über Verbindungskanäle 17, 18 mit
der Steuerplatte 19 verbunden, die wie im Ausführungsbeispiel
nach den 1A bis 1C eine
Niederdruck-Steueröffnung 20,
zum Verbinden der Zylinder 2, 3 mit der Niederdruckleitung 22 und
einer Hochdruck-Steueröffnung 21,
zum Verbinden der Zylinder 2, 3 mit der Hochdruckleitung 23 aufweist.
Die Hochdruck- und Niederdruckleitung 22, 23 sind
lediglich schematisiert eingezeichnet. Die Wirkungsweise der ortsfesten Steuerplatte 19 ist
im wesentlichen die gleiche wie im Ausführungsbeispiel nach den 1A bis 1C.
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Die
Ausbildung der Steuerplatte 19 wird nachfolgend anhand
der Aufsicht nach 2B beschrieben.
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Im
Ausführungsbeispiel
ist die Niederdruck-Steueröffnung 20 gegenüber einer
konventionell ausgebildeten Steuerplatte um den Drehwinkel β verlängert, während die
Hochdruck-Steueröffnung 21 gegenüber einer
konventionell ausgebildeten Steuerplatte um den Drehwinkel β verkürzt ist.
Die Steuerplatte 19 ist daher im wesentlichen genauso wie
im Ausführungsbeispiel
nach 1B ausgebildet, jedoch um 180° verdreht angeordnet. Auch in 2B liegen
die beiden Totpunkt-Drehwinkel 26, 27 auf der vertikalen
Geraden 25. Dabei bezieht sich der Totpunkt-Drehwinkel 26 auf
den oberen Totpunkt 14 der Kolben 10, 11,
bei welchem die Kolben 10, 11 ihren maximalen
Kolbenhub erreichen, und der Totpunkt-Drehwinkel 27 auf
den unteren Totpunkt 15, bei welchem die Kolben 10, 11 ihren
minimalen Kolbenhub erreichen. Auch im Ausführungsbeispiel nach 2B ist
wesentlich, daß der
erste Drehwinkelbereich γ,
in welchem die Zylinder 2, 3 über die Verbindungskanäle 17, 18 über die
Hochdruck-Steueröffnung 21 mit
der Hochdruckleitung 23 verbunden sind, kleiner bemessen
ist als der zweite Drehwinkelbereich δ, in welchem die Zylinder 2, 3 über die
Verbindungskanäle 17, 18 und
die Niederdruck-Steueröffnung 20 mit
der Niederdruckleitung 22 verbunden sind. Darüberhinaus
ist wesentlich, daß der
zweite Drehwinkelbereich δ,
in welchem die Zylinder 2, 3 über die Niederdruck-Steueröffnung 20 mit
der Niederdruckleitung 22 verbunden sind, den Totpunkt-Drehwinkel 27 einschließt, welcher
sich auf den unteren Totpunkt 15 der Kolben 10, 11 bezieht.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausbildung
der Steuerplatte 19 wird folgendes bewirkt.:
Nach Überschreiten
des oberen Totpunkts 14, der dem Totpunkt-Drehwinkel 26 entspricht,
werden die Zylinder 2, 3 von der Hochdruckleitung 23 getrennt und über die
Niederdruck-Steueröffnung 20 mit
der Niederdruckleitung 22 verbunden. Die Verbindung mit
der Niederdruckleitung 22 bleibt auch nach Erreichen des
unteren Totpunkts 15, der dem Totpunkt-Drehwinkel 27 entspricht,
erhalten. Dadurch wird erreicht, daß bei Bewegungsumkehr der Kolben 10, 11 in
ihrem unteren Totpunkt 15 bis zum Erreichen des Umschalt-Drehwinkels 44,
der einem in 2A dargestellten Kolbenhub 45 entspricht, Druckmittel
aus der Niederdruckleitung 22 angesaugt wird. Im Drehwinkelbereich β werden die
Kolben 10, 11 daher nicht mit dem Arbeitsdruck
der Hochdruckleitung 23 beaufschlagt. Die Verbindung mit
der Hochdruckleitung 23 erfolgt erst beim Umsteuerdrehwinkel 44,
so daß der
in 2A mit dem Bezugszeichen 46 bezeichnete
maximale Arbeitshub h durch einen Blindhub 47 im Drehwinkelbereich β auf einen reduzierten
Arbeitshub 48 im Drehwinkelbereich γ reduziert ist.
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Durch
entsprechende Dimensionierung der Niederdruck-Steueröffnung 20 und
der Hochdruck-Steueröffnung 21 und
somit der zugeordneten Drehwinkelbereiche γ und δ läßt sich daher der effektive
Arbeitshub und somit das Schluckvolumen und die Leistung des Hydromotors
verändern.
Für einen bestimmten
Hydromotortyp können
verschiedene Steuerplatten 19 zur Verfügung stehen, die je nach Anforderungen
im Bedarfsfall in den Hydromotor eingebaut werden.
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Es
ist ohne weiteres erkennbar, daß die
erfindungsgemäße Weiterbildung
nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt
sind. Insbesondere kann die Erfindung bei hydrostatischen Maschinen
unterschiedlicher Bauart und sowohl bei Hydropumpen als auch bei
Hydromotoren eingesetzt werden. Neben dem vorstehend beschriebenen
Einsatz im Zusammenhang mit Schrägachsen
bzw. Schiefscheibenmaschinen ist ohne weiteres auch der Einsatz
bei Taumelscheibenmaschinen möglich.
Ferner kann sowohl bei Hydropumpen als auch bei Hydromotoren statt
der Niederdruck-Steueröffnung
die Hochdruck-Steueröffnung langer
ausgebildet sein. Dies bewirkt im Pumpenbetrieb, daß während des Blindhubs
ein Teil der Fördermenge
aus der Hochdruckleitung zurückgesaugt
wird, während
im Motorbetrieb ein Teil der Fördermenge
wieder in die Hochdruckleitung ausgestoßen wird.