DE2137543C3 - Hydrostatische Schubkolbenmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine hydrostatische Schubkolbenmaschine mit mindestens einem Zylinder, bei der der Kolben durch eine Feder mit Auflagestellen am Kolben und einer abstützenden Stelle an eine Kolbenführungsbahn gedrängt wird.

Es sind bereits derartige Schubkolbenmaschinen bekannt, bei denen die Federn so ausgebildet sind, daß sie in jeder Stellung der Maschine einen Druck auf die zugeordneten Kolben ausüben. Auf diese Weise erreicht man einen optimalen Betrieb und einen bestmöglichen Wirkungsgrad. Jedoch schmälert die dabei auftretende hohe Verformung der Federn und die dadurch hervorgerufene Ermüdung derselben die Anwendbarkeit dieser Konstruktion (US-PS 34 05 646, 24 54 563 und FR-PS 13 40 850).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydrostatische Schubkolbenmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Ermüdung der Federn vermindert wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Länge der Feder im entspannten Zustand kleiner ist als die maximale Entfernung ihrer Auflagestellen.

Vorzugsweise weist die Feder im entspannten Zustand eine Länge auf, die dem Mittelwert aus der minimalen und der maximalen Entfernung der Auflagestellen entspricht.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen ergänzend beschrieben.

F i g. 1 ist ein Axialschnitt durch eine doppelendige axiale Schubkolbenmaschine;

Fig.2 ist eine rechtwinklige Projektion verschiedener Kolbenstellungen und der Vorspanneinrichtung während einer Umdrehung;

F i g. 3 zeigt die Kolbengeschwindigkeit als Funktion der Winkelstellung für eine ganze Hin- und Herbewegungsperiode;

Fig.4 zeigt die Beschleunigung als Funktion der Winkelstellung für eine ganze Hin- und Herbewegungsperiode;

F i g: 5 ist ein Axialschnitt einer variablen-, einendigen Schubkolbenmaschine gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel;

Fig.6 ist ein Axialschnitt entsprechend Fig.5 und zeigt die Kurvenfläche in ihrer Nullstellung;

F i g. 7 ist ein Querschnitt durch eine Radialkolbenmaschine.

Fig. 1 zeigt eine axiale Schubkolbenmaschine 10 mit paarweise angeordneten und entgegengesetzt wirkenden Kolben 16 und 18, die sich jeweils in einem Zylinderraum 17 eines Zylinderblocks 14 hin- und herbewegen. Die Maschine weist ein äußeres Gehäuse mit einem Gehäusemantel U auf, an dem durch Bolzen 13 eine Stirnplatte 12 befestigt ist, welche das Gehäuse schließt. Zwischen einer axialen Welle 15 und dem Zylinderblock 14 liegt ein Keil 19, wobei die Welle den Zylinderblock für den Pumpenbetrieb und der Zylinderblock die Welle für den Motorbetrieb antreibt.

ίο Die Kolben 16 und 18 ragen über den Zylinderblock 14 hinaus und wirken mit entgegengesetzt angeordneten Schrägflächen 20 und 22 des Gehäuses bzw. der Stirnplatte 12 zusammen, was die axiale Hin- und Herbewegung der Kolben bei Drehung des Zylinderbiocks bewirkt Ein zentrales Schwenklager 28 und Lagerteil 26 halten und steuern ein zwischen den Kolben 16 und der Schrägfläche 20 zur Aufnahme des axialen Schubs auf die Kolben 16 befindliches Lager 24 in radialer Richtung. Ähnlich liegt eine Schubübertragungsplatte 30 zwischen der Schrägfläche 22 und den Gleitschuhen 32 und nimmt den axialen Schub der Kolben auf. Die Gleitschuhe 32 weisen bewegbar auf den Kugelenden 34 aufsitzende Stutzen mit runder Innenfläche auf, wobei die Gleitschuhe über die vergrößerten Bohrungen 37 einer Drehplatte 36 hinausragen, die die Flansche der Gleitschuhe berührt Eine zentrale Führungsvorrichtung 38 und ein Schwenklager 40, deren runde Flächen miteinander in Berührung sind, um während des Betriebs der Maschine eine entsprechende Oszillation zu erzielen, lagern sowohl die Drehplatte 36 als auch die Schubübertragungsplatte 30 radial. Eine Feder 35 übt eine leichte Vorspannung auf die Gleitschuhe und die Kolben 18 aus, was dieselben in Richtung auf die Schubübertragungsplatte 30 durch eine Kraftübertragung auf die Gleitschuhflansche über das Schwenklager 40, die Führungsvorrichtung 38 und die Drehplatte 36 bewegt

Die Zylinderräume 17 sind mit der Schrägfläche 22 über innere Durchlässe 54,43 und 44-in den Kolben, den Gleitschuhen bzw. der Schubüberlragungsplatte verbunden, wobei ein getrennter Durchlaß 44 in derselben für jeden inneren Durchlaß 43 in den Gleitschuhen vorgesehen ist Es sind separate Fluidein- und -auslasse in der Stirnplatte 12 (die nicht dargestellt sind) vorhanden, die sich zur Schrägfläche 22 öffnen und die mit den Zylinderräumen 17 und mit äußeren Ein- und Auslaßöffnungen in der Stirnplatte verbunden sind Die allgemein bekannten Auslässe bestehen aus getrennten gewölbten Schlitzen auf der Schrägfläche 22, welche mit

so den Durchlässen 44 der Verbindungsplatte verbunden sind. Während einer halben Drehung, bei der die Kolben axial auswärts laufen, sind die Zylinderräume 17 mit einem der bogenförmigen Schlitze verbunden, und während der zweiten halben Drehung, wenn sich die Kolben in die Zylinderräume 17 zurückbewegen, sind letztere mit dem anderen Schlitz verbunden. Ein hydrostatisches Fluidlager nimmt den axialen Schub von den Kolben 18 auf, der von dem Druck in den Zylinderräumen herrührt Das Druckfluid aus denselben bildet ein Fluidlager zwischen der mit der Schrägfläche 22 zusammenwirkenden flachen Fläche der Schubübertragungsplatte 30.

Die Kolben 16 übertragen die Antriebsdrehleistung auf die Drehplatte 36 am Berührungspunkt der Mantelfläche 33 eines Gleitschuhs mit der Wand der damit zusammenwirkenden Bohrung 37 der Drehplatte. Die SchubUbertragungsplatte und die Drehplatte berühren sich über einen Zahn 45 und eine Nut 47, was

die synchrone Drehung dieser Platte mit den Kolben und dem Zylinderblock bewirkt.

In jedem Zylinderraum 17 ist eine Feder 50 untergebracht, und zwar eine verhältnismäßig langgestreckte Schraubendruckfeder, die zwischen der Schulter 51 des Kolbens 18 und der Fläche 52 des Kolbens 16 gelagert ist, wobei die Schulter und die Fläche jeweils die Auflagestellen für eine Feder bilden. Die Hin- und Herbewegung der Kolben 16 und 18 bewirkt eine getrennte Bewegung der Schulter 51 und der Fläche 52 zwischen einer minimalen und einer maximalen Entfernung voneinander. Die Stellung der maximalen Entfernung ist im folgenden mit TDC bezeichnet, wobei F i g. 1 die in der Figur oben liegenden Kolben in einer Lage zeigt, an der der Auswärtshub beendet ist und der Einwärtshub beginnt. Die Stellung mit der minimalen Entfernung der Kolben ist mit BDC bezeichnet, und diese Steüung nehmen in F i g. 1 die unten liegenden Kolben ein.

Wenn die Federn 50 entspannt sind, ist ihre Länge geringer als der Maximaiabsland zwischen der Schulter 51 und der Fläche 52. Jede Feder 50 berührt und übt eine Vorspannkraft auf ihre zugehörigen Kolben 16 und 18 nur während eines Teils einer Umdrehung des Zylinderblocks 14 aus. Die Federn 50 berühren die Kolben ungefähr auf der halben Strecke zwischen der Stellung TDC, die dem oberen Totpunkt entspricht, und der Stellung BDC, die dem unteren Totpunkt entspricht. Die Länge der Federn im entspannten Zustand entspricht dem Mittelwert zwischen der maximalen und der minimalen Entfernung zwischen der Schulter 51 und der Fläche 5Z Demgemäß berühren die Federn die entsprechenden Auflagestellen, wenn sich diese ungefähr 90° aus ihrer unteren Totpunktlage herausbewegt haben.

F i g. 2 zeigt eine abgewickelte Draufsicht der neun ringförmig angeordneten Kolben 18. In dieser Draufsicht erscheint die Kurvenfläche 22 als negative Cosinuskurve. Die axiale Hin- und Herbewegung der Kolben 18 entspricht einer senkrechten Bewegung in Fig.2. Der Klarheit halber sind die dem Kolben 18 zugeordneten Kolben 16 fortgelassen, und die Linie 53 ist als geometrischer Ort der Auflagestellen der betreffenden Federenden zu denken.

F i g. 3 zeigt die Kolbengeschwindigkeit als Funktion der Winkerstellung, und Fig.4 zeigt die dazugehörige Beschleunigung der Kolben unter der Annahme, daß die Kolben die Schrägfläche 22 ständig berühren.

Die Federn 50 üben eine Vorspannung auf die zugehörigen Kolben innerhalb eines Winkelbereichs von 90° vom unteren Totpunkt aus und bewirken so die ständige Anlage der Kolbenschuhe an die Schrägfläche. In dem Bereich, in dem die Federn keine Vorspannkraft auf die Kolben ausüben, nämlich in dem Bereich von 90° vom oberen Totpunkt aus, ist die Anlage der Kolbenschuhe an die Schrägfläche 22 durch Trägheitskräfte gewährleistet Die Federn sind in diesem Bereich nicht tätig, so daß die Reibung in denselben verringert und der Wirkungsgrad der Maschine vergrößert wird. Die Lebensdauer der Federn 50 wird dadurch auch erhöht

Die Bohrungen 54 und 55 in den Kolben 18 und 16 ermöglichen die Verwendung von Federn mit einer verhältnismäßig großen Länge in entspanntem Zustand, wodurch eine verhältnismäßig große Zusammendrückbarkeit gewährleistet ist Die Federn 50 passen verhältnismäßig eng in die Bohrungen 54 und 55 und werden seitlich darin geführt, um ein Verkanten und

Fluchtungsfehler zu vermeiden. Die Tiefe der Bohrungen 54,55 und die maximale Länge der Federn werden vorzugsweise derart gewählt, daß eine Feder 50 niemals sich ganz in eine Bohrung 54 oder 55 zurückziehen kann, Fig.5 zeigt eine andere Ausführungsform einer Schubkolbenmaschine mit variabler Verdrängung. Die Maschine umfaßt ein topfförmiges Gehäuse 60 und eine als GegendruckJager dienende Stirnplatte 61, in der eine Antriebswelle 62 gelagert ist Die Antriebswelle ist mit einem Zylinderblock 63 verkeilt Eine Schrägfläche 64 ist mitteis Zapfen 65 mit dem Gehäuse 60 gekuppelt Die an die Stirnplatte 61 angrenzende ebene Seitenfläche des Zylinderblocks 63 liegt dichtsitzend auf einer ebenen Fläche 66 der Stirnplatte auf. In letzterer sind Ventilschlitze 68, 68 angebracht die mit Ventilöffnungen 67 in dem Zylinderblock abwechselnd kommunizieren. Die Ventilschlitze 68 und 69 sind jeweils mit einem nicht dargestellten Fluideinlaß bzw. Fluidauslaß verbunden.

Der Zylinderblock 63 weist eine -Vzahl Sackbohrungen auf, die Zylinderräume 71 bilden, ir- denen jeweils ein Kolben 70 geführt ist der auf seiner ganzen Länge durchbohrt ist und an seinem innenliegenden Ende mit einer Sackbohrung 77 zur Aufnahme einer Feder 75 versehen ist und an seinem anderen Ende einen Kugelkopf bildet auf dem ein Gleitschuh 72 sitzt Die Schulterflächen 76 an dem Kolben 70 und 78 an dem Zylinderblock 63 bilden die Auflagestellen für die Feder 75.

Die Gleitschuhe 72 ragen durch öffnungen in einer Drehplatte 73, welche auf einem zentralen Schwenklager 74 geführt ist Die Kolbenschube 72 liegen an der Schrägplatte 64 an.

In einer zentralen Bohrung des Zylinderblocks 63 ist eine Feder 79 gelagert, die über Stößel 83, welche in Bohrungen des Zylinderblocks geführt sind, auf das Schwenklager 74 drückt und durch Vermittlung der Drehplatte 73 die Kolbenschuhe 72 gegefl die Schrägfläche 64 drückt

Die mit A bezeichnete Entfernung in Fig.5 entspricht dem Längenunterschied zwischen dem maximal zusammengedrückten Zustand und dem entspannten Zustand einer Feder 75. Der Abstand B bezeichnet den Kolbenhub.

Man erkennt aus F i g. 5, daß der Hub der Feder 75 etwas kleiner ist als die Hälfte des Kolbenhubs B. Jede Feder 75 berührt und drückt gegen den zugeordneten Kolben über einen verhältnismäßig kurzen Winkelbereich von etwa 45° oder weniger zu beiden Seiten des unteren Totpunkts. Zusammen mit der Feder 79 bewirken die Federn 75 die erforderliche Auswärtsbewegung der Kolben, um diese in ständiger Berührung mit dir .Schrägfläche zu halten. Da die Federn 75 einen Großteil der Vorspannkraft aufbringen, ist die Feder 79 sowohl in der Größe als auch in der Stärke wesentlich kleiner ausgebildet als bei bekannten Konstruktionen. Ebenso ist die auf die Kolben von der Feder 79 innerhalb eines Winkelbereichs von 90° um den oberen Totpunkt im Vergleich zu bisher bekannten Vorrichtungen wesentlich vermindert, so daß Reibungsverluste und Abnutzung verringert und der Wirkungsgrad erhöht sind.

Wie man aus F i g. 6 erkennt, üben die Federn 75' in der Nullstellung der Schrägfläche 64 eine geringe Vorspannung auf die Kolben 70 aus. Wenn die Federn kürzer sind als der Mittelwert der Auflagesteilen, so nimmt der Bereich, in dem die Federn die Kolben vorspannen, proportional zur Schräglage der SchräEflä-

ehe zu. Wenn andererseits die Federn 75' länger sind als der Mittelwert des Abstandes der Auflagestellen, dann spannen die Federn die Kolben bei ihrer Drehung dann vor, wenn die Schrägfläche in Ruhelage ist, wohingegen beim Ansteigen der Schräglage der Bereich, in dem eine Federvorspannung erzeugt wird, verringert wird.

Beim Verkleinern der Federn 50,70, 75' auf weniger als den Maximalabstand zwischen den Auflagestellen wird die Abnutzung der Federn entscheidend verringert, ohne daß die Funktion derselben beeinträchtigt wird.

Fig. 7 zeigt eine andere Ausführungsform mit einem Zylinderblock 90, der in einem Gehäuse 91 untergebracht ist, das eine elektrisch geformte innere Mantelfläche 92 aufweist. Eine Anzahl von Kolben 93 sind in Zylinderräumen 94 untergebracht, deren Achsen radial verlaufen. Die Kolben 93 weisen Kugelenden auf, die von der inneren Mantelfläche 92 geführt werden. Der Zylinderblock ist in Äntriebsverbindung mit der Antriebswelle 95. Durch die Drehbewegung und die elliptische Gestalt der inneren Mantelfläche 92 bewegen sich die Kolben in ihren Zylinderräumen 94 hin und her und fördern Fluid durch die öffnungen 96. mit denen nicht dargestellte Ventile zusammenwirken.

Jeder Kolben weist an seinem dem Kugelende benachbarten Bereich eine Schulter 101 auf, die als Auflagestelle für eine um den Kolben herumgelegte Feder 100 dient, deren anderes Ende sich an der Mantelfläche 102 des Zylinderblocks 90 abstützt. Die Federn sind so lang, daß sie nur über einen Teil eines Hubes des zugeordneten Kolbens an beiden Auflagestellen anliegen und eine Vorspannung erzeugen. Da ein vollständiger Hubzyklus eines Kolbens während einer

ίο halben Drehung des Zylinderblocks vollführt wird, spannt jede Feder 100 den zugeordneten Kolben an zwei gegenüberliegenden Winkclbereichen 103 und 105. während in den Winkelbereichen 104 und 106 keine Vorspannung erzeugt wird.

Die Erfindung läßt sich auch bei Flügelradnumpen anwenden, bei denen die variable Fluidkammer ähnlich der Kammer 97 bei F i g. 7 ist, sowie bei vielen anderen Vorrichtungen mit einem Fluidverdrängungsteil, das sich vuiii Zyiiiiuci uiuek /.u einer Kurvenfläche auuerhalb desselben erstreckt. Eine weilorc Anwendungsmöglichkeit besteht bei hydraulischen Vorrichtungen mit einer gegenüber dem Zylinderblock rotierenden Kurvenfläche.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   J. Hydrostatische Schubkolbenmaschine mit mindestens einem Zylinder, bei der der Kolben durch eine Feder mit Auflagestellen am Kolben und einer abstützenden Stelle an eine Kolbenführungsbahn gedrängt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Feder im entspannten Zustand kleiner ist als die maximale Entfernung ihrer Auflagestellen.

   2, Schubkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder im entspannten Zustand eine Länge aufweist, die dem Mittelwert aus der minimalen und der maximalen Entfernung der Auflagestellen entspricht.