DE2037635A1 - Verstellbare Axialkolbenmaschine - Google Patents

Description

Se/Pu 8.7.70

Anlage zur

Patent- und

Gebrauehsmusterhilfsanmeldung

ROBERT BOSCH GMBH, Stuttgart Verstellbare Axialkolbenma'schine

Me Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine mit einem Verstellglied, das zwecks Verändern des Kolbenhubs um eine Drehachse versehwenkbar ist, die so angeordnet ist, daß der Zwischenraum zwischen der Stirnfläche eines sich im oberen Totpunkt befindlichen Kolbens und der gegenüberliegenden Wand minimal und konstant ist.

Beim Betrieb mit hohen Drücken und sehr kleinem Förder- bzw. Schluckvolumen sind verstellbare Axialkolbenmaschinen thermisch gefährdet, wenn sie große schädliche Zylinderräume haben. Unter schädlichem Zylinderraum versteht man hierbei den Raum zwischen Kolbenstirnseite und gegenüberliegender Wandung, wenn sich der Kolben im oberen Totpunkt befindet. Bei jedem Umsteuern eines Zylinderraums von der Hoch- zur Niederdruckzone fließt nämlich Druckmittel aus dem schädlichen Zylinderraum zur Niederdruckseite,

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dessen hohe potentielle Energie in Form von Wärme in die Niederdruckleitung fließt, was sich beim Betrieb der Axialkolbenmaschine als Pumpe besonders nachteilig auswirkt» Das der Pumpe zufließende Druckmittel wird dadurch nämlich sehr stark erwärmt, seine Zähig-. keit nimmt ab, was zur Folge hat, daß die Schmierfilme am Steuerspiegel und den Kolben an Tragfähigkeit verlieren, was zum Versagen der Maschine führen kann. Ähnliches tritt beim Betrieb der Naschine als Motor auf.

Bei der eingangs erwähnten Axialkolbenmaschine nach der US-Patentschrift 2 964 254 ist dieser Nachteil vermieden. Das als Taumelscheibe ausgebildete Verstellglied ist jedoch von der Nullage bus (Kolbenhub Null) nur nach einer Seite verschwenkbar, so daß zum Umkehren der Förderrichtung Im Purapbefcrieb die Drehrichtung geändert werden muß, was einen besonderen Antriebsmotor erfordert. Zum Umkehren der Drehrichtung im Betrieb als Motor muß der Flüssigkeitsmotor umgesteuert werden, wozu ein Steuerventil notwendig ist.

Diese bekannte Axialkolbenmaschine ist demnach umständlich zu betreiben und benötigt für den Reverslertoetpieb zusätzliche, teils recht aufwendige Mittel. Außerdem sind noch aufwendige Maßnahmen erforderlich, um die rotierende Masse der Taumelseheibe auszugleichen, während der Verstellmechanismus für die nur einseitige Verstellmöglichkeit der Taumelscheibe kompliziert ist.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Axialkolbenmaschine der eingangs erwähnten Art zu schaffen, deren Verstellglied über die Nullage hinaus verschwenkbar ist, wobei aber der schädliche Zylinderraum stets minimal und konstant ist, und deren Verstelleinrichtung denkbar einfach und nicht störanfällig 1st,

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Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die Axialkolbenmaschine, wie an sich bekannt, eine die Kolben aufnehmende, rotierende Zylindertrommel hat und das VerstsLlglied als nicht rotierende Schwenkscheibe ausgebildet ist, an der zwei einander diametral gegenüberliegende, etwa parallel zur Achsrichtung des Zylinderkörpers bewegliche Antriebsglieder derart angreifen, daß beim Verstellen der Schwenkscheibe derjenige Kolben, der sich im oberen Totpunkt befindet, bei einer Schwenkbewegung derSbhwenkscheibe durch die Antriebsglieder nicht verschoben wird.

Eine derartige Maschine ist für einen Reversierbetrieb geeignet, bei dem thermische Belastungen vermieden werden. Das Kleinhalten des schädlichen Zylinderraums wird auf sehr einfache und sichere Weise erreicht, da die Verstelleinrichtung unkompliziert gestaltet ist.

Zweckmäßig ist es ferner, die Antriebsglieder als Gewindespindeln auszubilden, die mittels von elektrischen Schrittmotoren angetriebenen Gewindehülsen axial bewegbar sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung wiedergegeben. Diese zeigt in λ

Pig. I einen Längsschnitt durch eine Axialkolbenmaschine, Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Teil eines Verstellglieds,

Fig. 5 und 4 Abwandlungen des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1.

Die Axialkolbenmaschine nach Fig. 1 besteht aus einem Gehäuse 1, das an einem Ende durch einen mit Schrauben 2 befestigten Deckel 3 verschlossen ist. Die Triebwelle 4 ist in dem Pumpengehäuse in einem Gleitlager 5 und im Gehäusedeckel 3 in einem Rillenkugellager 6 gelagert; das durch den Gehäusedeckel hindurchtretende Wellenende

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7 1st durch einen Radialdichtring 8 abgedichtet.

Ein Zylinderblock 9 im Inneren des Gehäuses ist mit der Triebwelle 4 durch ein Keilwellenprofil 10 drehfest verbunden. Von einer Druckfeder 11, die sich auf einer an einer Wellenschulter 12 anliegenden Scheibe 15 abstützt, und über eine weitere Scheibe 14, die an einem in einer Nut des Zylinderblocks eingelegten Sicherungsring 15 anliegt, wird der Zylinderblock 9 dichtend gegen die als Steuerspiegel 16 ausgebildete Stirnseite des Gehäuseinneren gepreßt. In konzentrisch zur Achse der Triebwelle 4 angeordneten Zylinderbohrungen 17 im Zylinderblock 9 sind dicht gleitend: Kolben 18 angeordnet, die an ihrem aus dem Zylinderblock. 9 herausragenden Ende 19 gelenkig angebrachte Gleitschuhe 20 tragen. Druckfedern 21 im Inneren der hohlen Kolben stützen sich auf der Schulter 22 der Zylinderbohrungen ab und üben eine Kraft auf die Kolben aus, so daß die Gleitschuhe 20 stets fest auf eine Schwenkscheibe 25 gepreßt werden. Diese Schwenkscheibe ist durch eine Nase 24, die in einer Nut 25 des Gehäuses gleitet, gegen Verdrehen gesichert. Außerdem ist sie durch je eine Lasche 26, die in Nuten an einander diametral gegenüberliegenden Stellen der Schwenkscheibe 25 angeordnet sind, mit je einem Kolbenschaft 29, 29' von zwei gegenüberliegenden Stellkolben 27,"27¹ gelenkig verbunden. Der Stellkolben 27 mit Kolbenschaft 29 gleitet in einer Stufenbohrung 28, der Stellkolben 27' mit Kolbenschaft 29' in einer Stufenbohrung 30. Die Stufenbohrungen 28 und 50 verlaufen parallel zur Längsachse der Triebwelle. In je einer Längsbohrung 31, 51' der Stellkolben 27, 27¹ gleitet je ein Steuerschieber 52, 52*. Jeder Steuerschieber wird in einer Steuernut 55, 33' einer Kurvenscheibe 34·* 54' geführt, die an einem Lagerbock 55 des Gehäuseendes schwenkbar befestigt ist. Die Steuerschj&er führen bei Schwenkbewegungen der Kurvenscheiben Axialbewegungen aus und bilden in bekannter Weise eine Folgesteuerung für die Stellkolben. Die beiden Kurvenscheiben 54, 34' sind durch ein Koppelglied 38 miteinander verbunden.

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Jede Zylinderbohrung 17 der Zylindertrommel geht in einen Abschnitt 59 mit kleinerem Querschnitt über, der an der Stirnfläche der Zylindertrommel mündet. Die Abschnitte 59 wirken mit nierenförmigen Schlitzen 40, 4l im Steuerspiegel 16 der Pumpe zusammen.

Eine Bohrung 42, die in den Schlitz 40 mündet, und eine Bohrung die in den Schlitz 4l mündet, bilden, abhängig von der Förderrichtung bzw. Drehrichtung, den Zu- oder Abfluß der Maschine.

Die Größe dss Kolbenhubs ist von^der Neigung der Schwenkscheibe 23 ™ abhängig und wird durch die Stellkolben 27, 27' eingestellt, deren Stellung wiederum mit Hilfe der Steuerschieber 32,· 32' bestimmt wird. Die Steuerschieber selbst werden von den gekoppelten Kurvenscheiben 34, 34' betätigt.

Im Betrieb der Axialkolbenmaschine als Pumpe ist die Null-Fördermenge erreicht, wenn die Schwenkscheibe 23 senkrecht zur Pumpenlängsachse steht. Die Kolben 18 sind dann gleich weit in die Zylinderbohrungen eingeschoben. Um den oberhalb der Kolben "befindlichen schädlichen Zylinderraum möglichst klein zu halten, wird hierzu die Schwenkscheibe 23 in eine Lage gebracht, in der sie dem Zylinderkörper am nächsten ist, d. h. beide Stellkolben Λ 27, 27' sind gleichweit eingezogen. Die schädlichen Räume haben nun ihre lediglich durch die Konstruktion bedingten kleinsten Volumina. ·

Soll nun die Pumpe fördern, dann werden beide Stellkolben 27, 27' so verstellt, daß der im oberen Totpunkt befindliche Kolben seine zuvor eingenommene Lage beibehält. Da die Angriffspunkte der Antriebsglieder an der Schwenkscheibe radial außerhalb der Kolben liegen, muß also das eine Antriebsglied um einen geringen Betrag eingezogen werden, während das andere ausfährt. Es besteht also

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ein gesetzmäßiger Zusammenhang zwischen den axialen Bewegungen der beiden Antriebsglieder, der sich aus ihren gegenseitigen Abständen und derjenigen zu den Kolben ergibt. Dementsprechend sind die Kurven der Kurvenscheiben ausgebildet. Die Drehachse für die " Schwenkscheibe muß also stets durch den Anlenkpunkt für den Kolbenschuh am Kolbenende 19 verlaufen» Er iet mit A bezeichnet.

Soll die Förderrichtung umgekehrt werden, so werden nach Erreichen der Nullförderlage die Stellkolben mit Hilfe der Polgesteuerung gemeinsam so verstellt, daß jetzt der Anlenkpunkt für den Kolbenschuh am Ende des anderen Kolbens Drehpunkt der Sehwenkscheibe 23 · ist. Nur durch diese Maßnahme wird erreicht _s daß der schädliche Zylinderraura stets minimal ist, und zwar auch nach dem Wechsel der Schwenkscheiben-Neigung.

Die Betätigung der Stellkolben ist eine übliche, durekmit telbetätigte Folgesteuer-Einrichtung* die worn Kreislauf der Axialkolbenmaschine selbst oder von einer Hilf spumpe mit Steuerdruclcmittel versorgt wird. Die sinngemäße Steuerung der Stellkolben erfolgt mit Hilfe der Kurvenscheiben ~%k_s 34% die z«. B. mechanisch betätigt sind.

Die Steuerung der Stellbewegung der Stellkolben für die Schwenkscheibenverstellung durch Drehsteuerschieber zeigt in einem Teilschnitt das Ausführungsbeispiel nach der Fig., 2·

In einer von einem Deckel 45 abgeschlossenen Stufenbohrung 46 gleitet ein als Differentialkolben ausgebildeter Stellkolben 4?. Der Kolbenschaft 48 ist durch eine nicht dargestellte Lasche 26 mit der Sohwenkscheibe 23 verbunden«,

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Ein Drehsteuerschieber 49 ist in einer axial verlaufenden Bohrung 50 im Stellkolben 47 und in einer Stufenbohrung 51 in dem Deckel 45 radial und axial geführt. Mit einem Bund 52 liegt der Drehsteuerschieber 49 an einer Schulter 53 einer Erweiterung der Bohrung an und ist durch einen Sicherungsring 54 gegen axiales Verschieben gesichert. Ein O-Ring 55 verhindert den Austritt von Druckmittel durch die· Stufenbohrung 51· Durch eine Koppel 56, die auf einen Zapfen 57 des Drehsteuerschiebers 49 gesteckt ist, ist dieser mit dem des zweiten, hier nicht gezeichneten Stellkolbens verbunden.

In seinem im Stellkolben 47 geführten Teil hat der Drehsteuer- | schieber 49 zwei mit einer Steigung versehene parallele Steuernuten 58, 59, die durch einen Steg 60 getrennt sind. Dessen Breite entspricht dem Durchmesser einer Querbohrung 6l im Kolben, die durch einen Kanal 62 mit dem Zylinderraum 65 verbunden ist. Der Zylinderringraum 64 steht mit einer Druckmittelquelle 65 in Verbindung, während ein Kanal 66 im Schaft 48 des Stellkolbens 47 eine Verbindung vom Ringraum 64 zu e iner den Drehsteuerschieber umgebenden Ringkammer 67 im Kolbenschaft 48 herstellt.

Eine im Drehsteuerschieber 49 achsparallel verlaufende Bohrung verbindet durch eine Radialbohrung 69 die Steuernut 59 mit dem drucklosen Pumpengehäuse und einem Druckmittelbehälter 70, eine zweite, ebenfalls im Steuerschieber 49 verlaufende, achaparallele Bohrung 71 verbindet durch zwei Radialbohrungen 72 und 73 die Steuernut 58 mit der Ringkammer 67.

so

Die Drehsteuerschieber sind bezüglich ihrer Steuernuten/ausgebildet, daß bei einer gemeinsamen Drehbewegung beide Stellkolben 47 so verschoben werden, daß die Schwenkscheibe, wie oben beschrieben, um den Anlenkpunkt für den Kolbenschuh des im oberen Totpunkt stehenden Kolbens geschwenkt wird. Dadurch bleibt der obere Totpunkt der Förderkolben unverändert und der schädliche Zylinderraum wiederum stets minimal. - 8 -

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Der Stellkolben befindet sich in Ruhestellung, wenn, wie in Fig. 2 dargestellt, die Bohrung 61 im Stellkalben durch den Steg 60 des Steuerschiebers verschlossen ist. Bei einer Drehbewegung des Steuerschiebers im Uhrzeigersinn - vom Kolbenschaft 48 aus betrachtet - überdeckt die Bohrung 6l die Steuernut 59* wodurch der Zylinderraum 63 mit dem Druckmittelbehälter 70 verbunden wird.

Der im Ringraum 64 herrschende Druck verschiebt den Stellkolben nach links und das aus dem Zylinderraum 63 verdrängte Druckmittel kann zum Behälter 70 abfließen. Durch die Hubbewegung des Kolbens gleitet die Bohrung 6l wieder über den Steg 6Ö, und die Bewegung kommt zum Stillstand.

Führt der Drehschieber in der neuen Stel lung des Stellkolbens eine Drehbewegung entgegen dem Uhrzeigersinn aus, dann überdeckt die Bohrung 6l nunmehr- die Steuernut 58, wodurch dem Druckmittel der Weg zum Zylinderraum 63 freigegeben wird, und der Stellkolben eine Bewegung nach rechts ausführt. Die Bewegung endet wiederum, wenn die Bohrung 6l wieder von dem Steg verschlossen und damit dem Druckmittel der Weg versperrt ist.

Die Axialkolbenmaschine nach dem Ausführungsbeispiel der Fig. J5 hat gegenüber dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 anders ausgebildete Stellglieder zum Verstellen des Neigungswinkels der Schwenkscheibe. Die anderen Teile tragen dieselben Ziffern wie zuvor.

In zwei diametral gegenüberliegenden Bohrung 75, 75^! gleiten gegen Verdrehung gesicherte Stellglieder 76, 76', die an einem Ende mit je einer Lasche 26 mit der Schwenkscheibe 2j5 verbunden und am deren Ende mit einem Stellgewinde 77 versehen sind.

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An dem Gehäuseende ist oberhalb jedes Stellglieds ein Stellmotor 78, 78* angeordnet, dessen Wellenende als Gewindehülse 79 ausgebildet ist, die in eine Bohrung 80 des Gehäuses 1 eintaucht und die mit dem Stellgewinde 77 des Stellgliedes 76 in Eingriff steht. An der Unterseite des Gehäuses 1 sind zwei einander diametral gegenüberliegende Istwert-Stellungsgeber 8l und 8l^f zur Erfassung der Schwenkscheibenstellung angebracht, die Meßwerte einem Steuergerät 82 mit Eingabeteil liefern, das elektrisch mit den beiden Stellmotoren verbunden ist. Die Istwert-Stellungsgeber haben Tastglieder 83, 85'. Durch Eingabe eines Sollwerts in das Steuer- " gerät 82, z. B. zur Vergrößerung der Fördermenge bei gleichbleibender Förderrichtung erhalten beide Stellmotoren von dem Steuergerät Steuerimpulse, worauf die Gewindehülsen gedreht und die Stellglieder axial verschoben werden, dabei die Neitung der Schwenkscheibe 23 ändernd« Von den Istwertstellungsgebern 81, 8l^f werden dem Steuergerät 82 Meßwerte geliefert, so daß beim Erreichen des Sollwerts die Stellmotoren abgestellt werden. Das Steuergerät kann zugleich als Regelgerät ausgebildet sein, so daß durch Verstellung der Schiefscheibe eine kennzeichnende Größe des Druckmittelstromes, z. B. der Druck, konstant gehalten werden kann. Das Steuergerät verfügt aber über Sollwerte, die stets dafür sorgen, daß die Schwenkscheibe, wie oben beschrieben, verstellt wird. g

Die Axialkolbenmaschine nach dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 weicht durch eine elektronische Steuerung der Schwenkscheibenverstellung gegenüber dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ab.

Jede Zylinderbohrung 17 wird von einem Magnetventil 85, 85' für die Steuerung der Stellkolben abgeschlossen. Beide Magnetventile sind mit einer Druckmittelquelle 65 und einem Druckmittelbehälter 70 verbunden.

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Ein Steuergerät 86 rait einem Eingabeteil ist elektrich einer- ■ seits mit zwei Istwert-Stellungsgefoern 8l_s 8l" für die Erfassung der Schwenkscheibenstellung, andererseits mit'den Magnetventilen 85, 85¹ verbunden. Die Istwert-Sfcellungsgeber 81, 8l^r sind nahe der Schwenkscheibe 2j5 auf der Verbindungslinie der Achsen der beiden Stellkolben 27 > 27^s angeordnet und haben Tastglieder 87, 87¹, die die Stellung der Schwenkscheib© abtasten«,

Die Kombination der von den Istwert^Stsllungsgebern 81, 81' gemessenen Werte und des eingegebenen Sollwerts der Schwenkscheibenstellung im Steuergerät 86 führt zn Steuerimpulsen an die Magnet- · ventile 85, 85', die die Stellbewegung der Stellkolben steuern.

Mit der Eingabe eines neuen Sollwerts, 2« B. für größeren Volumenstrom bei gleicher Förderrichtung^, ©rhalten beide Magnetvent ile solche Steuerimpulse, daß dem Druckmittel Wege von oder zu den Zylinderräumen 65 und 64 freigegeben werden«, Dadurch bewegen sich die Stellkolben 27 und 27* in dter gewünschten Weise,

Anstelle der Kurvenscheiben ^k₃ 3^^s können auch Knrventrommeln treten.

Selbstverständlich ist es auch möglichj, die Antriebsglieder für die Schwenkscheibe auf der den Ausführungsbeispielen entgegengesetzten Seite des Maschinengehäuses anzuordnen* also am Deckel 2„ Sie können dann eine solche Position einnehmen^, daß die Drehachse für die Schwenkscheibe von der Kolbenaehse desjenigen Kolbens geschnitten wird, der sieh im oberen Totpunkt befindet. Mit anderen Worten, Kolbenachse und Achse der Antriebsglieder decken sich. Auf diese Weise bleibt stets das eine Antr-iebsglied in absoluter Ruhelage,"während das andere die Schwenkscheibe verstellt»

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Claims (8)

Robert Bosch GmbH R. 9900 Stuttgart Ansprüche ;

1. Axialkolbenmaschine mit einem Verstellglied, das zwecks Verändern des Kolbenhubs um eine Drehachse verschwenkbar ist, die so angeordnet ist, daß der Zwischenraum zwischen der Stirnfläche eines sich im oberen Totpunkt befindlichen Kolbens und der gegenüberliegenden Wand minimal und konstant ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Axialkolbenmaschine, wie an sich bekannt, eine die Kolben (18) aufnehmende, rotierende Zylindertrommel (9) hat und das Verstellglied als nicht rotierende Schwenkscheibe (23) ausgebildet ist, an der zwei einander diametral gegenüberliegende, etwa parallel zur Achsrichtung des Zylinderkörpers bewegliche Antriebsglieder (27, 27¹, 47, 47', 76, 76') derart angreifen, daß beim Verstellen der Schwenkscheibe (23) derjenige Kolben, der sich im oberen Totpunkt befindet, bei einer Schwenkbewegung der Schwenkscheibe durch die Antriebsgiieder nicht verschoben wird.

2. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsglieder als druckmittelbeaufschlagte Differentialkolben (27, 27') ausgebildet sind, die in an sich bekannter Weise jeweils von einem Vorsteuerglied (32, 32', 49) gesteuert sind.

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3. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsteuerglieder über gekoppelte Kurvenglieder (34, 34') verstellbar sind.

4. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorsteuerglied (32, 32', 49) in Achsrichtung des Differentialkolbens geführt ist.

5. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 2 oder 3j> dadurch, gekennzeichnet, daß das Vorsteuerglied (49) drehbar im Differentialkolben angeordnet ist und an seinem Umfang sehraubenartige Steuernuten (58, 59) aufweist, und daß die Vorsteuerglieder über eine Koppel (56) gemeinsam betätigbar sind.

6. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsglieder (76, 76¹) als Gewinde spindeln ausgebildet

fe sind, die mittels von elektrischen Schrittmotoren (78, 78¹) angetriebenen Gewindehülsen (79, 79^s) axial bewegbar sind.

7. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellung der 'Schwenkscheibe mit Istwert-Stellungsgebern (8l, 81') erfaßt wird«,

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8. Axialkolbenmaschine nach Anspruch Ί, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Istwertgeber (8l, 8l') die Stellung der Sehwenkscheibe elektronisch erfassen, und daß ein elektronisches Steuerglied (86) nach eingegebenem Istwert und Sollwert durch zwei Magnetventile {85j 85¹) die Hubbewegung von zwei Stellkolben (27, 27') zur Annäherung des Neigungswinkels der Sehwenkscheibe an den Sollwert steuert. / " . -

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