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Hydrostatische Axialkolbeneinheit = Die Erfindung betrifft eine hydrostatische
Axialkolbeneinheit mit einem auf einer An- bzw. Abtriebswelle drehfest angeordneten
Trommelkörper, der in kreisförmiger Anordnung Längszylinder aufweist, in denen Kolben
in Abhängigkeit von der Neigung einer Schräg-, Taumel- oder Schwenkscheibe hin-
und herbewegbar sind, die die Arbeitsflüssigkeit über eine im Gehäuse der Einheit
unverdrehbar angeordnete mit Steueröffnungen versehene Steuerfläche mit sich daran
anschließenden Zu- und Abflußkanälen verdrängen, bzw. von der Arbeitsflüssigkeit
beaufsohlagbar sind.
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Die Steuerflächen von Axialkolbeneinheiten der vorbeschriebenen Gattung
sind in der Regel beiderseits der Totpunktebene symmetrisch ausgebildet. Eine symmetrische
Ausbildung ist erforderlich, damit diese Einheiten in beiden Drehrichtungen laufen
können, Dieser durch den praktischen Einsatz bedingte
Zwang zur
symmetrischen Ausbildung der Steuerflächen führt aber dazu, daß keine Optimierung
der Abmessungen und Funktionsbereiche erfolgen kann, die insbesondere einen Einfluß
auf den Strömungsgradienten der Arbeitsflüssigkeit und somit auf die Geräuschentwicklung
und den Wirkungsgrad dieser Axialkolbeneinheiten haben, Falls å jedoch solche Forderungen
Berticksichtigung fänden, würde deshalb eine unsymmetrische Gestaltung der verschiedenen
Steuerflächenbereiche zwangsläufig die Folge sein. Eine unsymmetrische Ausbildung
bedingt jedoch wiederum, daß eine derartige Axialkolbeneinheit nur in einer Drehrichtung
laufen könnte, Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Axialkolbeneinheit
der eingangs beschriebenen Gattung derart zu verbessern, daß bei weitgehender Berücksichtigung
der Forderungen an eine unsymmetrische Gestaltung der Steuerfläche trotzdem ein
Einsatz in beiden Drehrichtungen erfolgen kann.
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Erfindungsgemäß wird dies durch die Kombination der folgenden Merkmale
erreicht: a) Die diametral einander gegenüberliegenden Stirnseiten des Gehäuses
der Einheit sind als zueinander spiegelsymmetrische Anschlußflächen ausgebildet;
b) die An- bzw0 Abtriebswelle durchsetzt die Einheit auf ihrer gesamten axialen
Länge; c) die in der Steuerfläche angeordneten Steueröffnungen sind mit Bezug auf
die Totpunktebene in Umfangsrichtung winkelversetzt.
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Aufgrund einer sinnvollen Kombination von äußeren und'inneren Gestaltungsmaßnahmen
ist somit eine Axialkolbeneinheit geschaffen worden, die sowohl den Belangen des
Herstellers im Hinblick auf eine einfache und zweckmäßige Fertigung als auch denjenigen
der Benutzer einmal aus der Sicht eines universelleren Einsatzes und zum anderen
aus der Sicht des wirtschaftlichen Arbeitens Rechnung trägt, Die in den Außenkonturen
der stirnseitigen Anschlußflächen identisch ausgebildete Einheit ist mit Bezug auf
die Steuerfläche unsymmetrisch gestaltet. Sie ist mithin für eine Drehrichtung weitgehend
optimal ausgebildet0 Die in dieser liegenden Steueröffnungen sind verdreht, das
heißt, winkelversetzt zu der Dotpunktebene. Bei einem Einsatz der Axialkolbeneinheit
als Pumpe ist der Winkel zwischen den in Drehrichtung hinten liegenden Endabschnitten
der Steueröffnungen und der Totpunktebene kleiner als der Winkel zwischen der Totpunktebene
und den in Drehrichtung vorne liegenden Endabschnitten der Steueröffnungen0 Die
von den Trommel zylindern über den Steuerspalt in die Hochdrucksteueröffnung überwechselnde
Arbeitsflüssigkeit erfährt eine Vorkompression, weil die Arbeitsflüssigkeit erst
nach einem größeren Drehwinkel des jeweiligen Zylinders, bzw. dessen trommelstirnseitiger
Austrittsöffnung auf der Druckseite der Steuerfläche bei sich bereits abwärts bewegendem
Kolben aus den Zylindern in die Hochdrucksteueröffnung abfließen kann, wohingegen
die aus der Hochdrucksteueröffnung von den Zylindern beim Weiter drehen mitgenommene
Arbeitsflüssigkeit auf der Niederdruckseite eine Vorexpansion erfährt, da hier der
größere Drehwinkel und die sich schon aufwärts bewegenden Kolben bereits ein vergrößertes
Ansaugvolumen vor dem Kontakt der Zylinder mit der Niederdrucksteueröffnung bewirken,
In dem die von den Zylindern angesaugte Flüssigkeit nach dem Überfahren des
oberen
Totpunktes nun nicht sofort in die Hochdrucksteueröffnung abgegeben, sondern mangels
Kontakt mit dieser und infolge des sich weiter abwärts bewegenden Kolbens komprimiert
wird, treten keine schädigenden Druckstöße auf. Auf der anderen Seite kann sich
die von dem jeweiligen Zylinder aus dem Hochdruckbereich noch mitgenommene Hochdruckflüssigkeit
nach dem Überfahren des unteren Totpunktes bei dann aufwärts gehendem Kolben und
noch nicht stattgefundener Verbindung mit der Niederdrucksteueröffnung schon entspannen,
so daß gewissermaßen ein Druckangleich an die im Moment der Verbindung mit der Niederdrucksteueröffnung
zu erwartenden Druckverhältnisse zustande kommt Bei einem Einsatz der Axialkolbeneinheit
als Motor unter der Voraussetzung der gleichen Neigung der Schräg-, Taumel-oder
Schwenkscheibe und des gleichen Anschlusses der Hochdruck- und der Niederdruckseite
wie beim Pumpenbetrieb kehrt sich die Drehrichtung bekanntlich um. Der jeweilig
im unteren Totpunkt stehende Kolben gelangt bereits unmittelbar nach dem Überwechseln
auf die Hochdruckseite mit der Hochdrucksteueröffnung in Verbindung und fährt während
der Überquerung der Hochdrucksteueröffnung hoch. Beim Verlassen der Hochdrucksteueröffnung,
deren hinterer Endabschnitt mnmehr von der Totpunktebene weiter entfernt ist als
der in Drehrichtung vorne liegende Endbereich, muß der Kolben, ohne weitere Zufuhr
von unter Hochdruck stehender Plüssigkeit zu erhalten, noch einen größeren Drehwinkel
zurücklegen, wobet er jedoch weiter hochfährt. Die mitgenommene Hochdruckflüssigkeit
erhält folglich mehr Raum und kann sich entspannen. Sie gleicht sich mithin bereits
vor dem Überqueren der Totpunktebene weitgehend an die Druckverhältnisse an, die
unmittelbar nach dem Überfahren
der Totpunktebene bei der Verbindung
mit der Niederdrucksteueröffnung auftreten, Umgekehrt erfährt die von dem jeweiligen
Zylinder aus der Niederdrucksteueröffnung mitgenommene Flüssigkeit schon vor dem
unteren Totpunkt eine Vorkompression, also einen Angleich an die Druckverhåltnisse
unmittelbar nach dem Überfahren der Totpunktebene.
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Die das Gehäuse der Einheit erfindungsgemäß auf ihrer gesamten axialen
Länge durchsetzende An- bzw. Abtriebswelle bewirkt, daß die im Innern nur für eine
Drehrichtung aufgebaute Einheit in Verbindung mit den identischen stirnseitigen
Anschlußflächen durch ein einfaches Drehen der Einheit um l8Q0 trotzdem in beiden
Drehrichtungen eingesetzt werden kann. Zweckmäßigerweise ist die An- bzw.
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Abtriebswelle zumindest in ihren Endabschnitten für diese Maßnahme
als Hohlwelle ausgebildet, so daß, günstige Anschlußbedingungen für Antriebs elemente,
wie Elektromotoren, geboten sind.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kennzeichnet sich dadurch,
daß die Verbindungskanäle zwischen den Zylindern und der Trommelstirnseite, in Drehrichtung
geneigt angeordnet sind. Die Neigung der Xin- und Austrittskanåle der Zylinder in
dem frommelkörper zur Drehrichtung fahrt zu einem noch gunstigeren Verhalten der
Strömung mit Bezug auf den Gradienten, was folglich einen vorteilhaften Einfluß
auf die Druckverluste und die Geräuschentwicklung bewirkte Es wird damit erreicht,
daß die Stoßverluste, die die Arbeitsflüssigkeit im Moment des ubertrittes von dem
Trommelkorper in die Steueröffnungen, bzw. umgekehrt erfährt, auf ein Minimum reduziert
werden.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß
der Boden der Steueröffnungen in eicbtung zum unteren Totpunkt geneigt ausgebildet
ist, Dabei geht zweckmäßigerweise der dem unteren Totpunkt zugewendete Endbereich
der Steueröffnungen tangential in den Ansaug- bzw0 Druckkanal über0 Diese Ausgestaltung
trägt ebenfalls zu einer weiteren Verminderung der Stoßverluste und der Geräuschentwicklung
bei, da ein folgerichtiger Flüssigkeits übertritt im Steuerspalt zwischen Trommelkörper
und Steuerfläche mit Bezug auf die Strömungsrichtung und Strömungsgeschwindigkeit
gewährleistet ists Die Erfindung kennzeichnet sich in einem weiterbildenden Merkmal
dadurch, daß der Ansaug- und der Druckkanal von dem im unteren Totpunkt liegenden
Endbereich der Steueröffnungen ausgehend sich trichterförmig erweitern, Die Erfindung
ist in den Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.
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Es zeigen: Die Figur 1 in Ansicht und teilweise im Schnitt die erfindungsgemaße
Axialkolbeneinheit; die Figur 2 eine Ansicht auf die Steuerfläche der Einheit gemäß
der Linie II-II der Figur 1; die Figur 3 einen Vertikalschnitt durch eine der in
der Steuerfläche liegenden Steueröffnungen gemäß der Linie III-III der Figur 2 und
die Figur 4 einen Horizontalschnitt durch die Zylindertrommel geräß der Linie IV-IV
der Figur 1 sowie einen weiteren hängsgehnitt durch einen der Verbindungskanäle
zwischen den Zylindern und der Zylinder tromnlelstirnseite.
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Die in der Figur 1 dargestellte Axialkolbeneinheit 1 besteht aus einem
zylindrischen Gehäusemittelteil 2 mit endseitig rechteckigen Flanschen 3 und den
mit diesem Mittelteil lösbar verbundenen ebenfalls rechteckig ausgebildeten Endabschnitten
4o Die Einheit besitzt (schematisch dargestellt) im Innern des Gehäuses einen Trommelkörper.
5 mit in kreisförmiger Anordnung parallel zur Längsachse der Einheit eingearbeiteten
Zylindern 6, in denen in Abhängigkeit von der Neigung einer Schwenkscheibe 7 Kolben
8 bei Drehung des Trommelkörpers 5 hin- und herbewegbar sind0 Der Trommelkörper
ist fest auf der die Einheit 1 in ihrer gesamten axialen Länge durchsetzenden An-
bzw0 Abtriebswelle 9 angeordnet. Die Schwenkscheibe 7 ist unverdrehbar im Gehäuse
der Einheit gelagerte Die durchgehende An- bzw. Abtriebswelle 9 ist als Hohlwelle
ausgebildet und besitzt in beiden Endbereichen die gleichen Anschlußmittel, bspwo
in Form einer Innenverzahnung. Die Lagerung 10 der Welle erfolgt in den stirnseitigen
Endbereichen 4 der Einheit.
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Diese Endbereiche 4 der Axialkolbeneinheit 1 sind in ihren Außenkonturen
einander identisch ausgebildet und bieten demzufolge unter Einbeziehung der Ausgestaltung
der Hohlwelle 9 gleiche Anschlußmöglichkeiten für vor- bzw0 nachgeschaltete An-
bzw. Abtrieb-saggregate, wie zO B. Elektromotorein. Links- und Rechtslauf wird lediglich
durch ein Drehen der Einheit um 1800 bestimmt0 Eine Ansicht auf die Steuerfläche
11 der Axialkolbeneinheit zeigt die Figur 2. Die Steuerfläche kann dabei einem besonderen,
raumbeweglich gelagerten Steuerflächenkörper oder
direkt dem Gehäuseendbereich
der Einheit zugeordnet sein.
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Auch in dieser Figur sind nur die charakteristischen Merkmale dargestellt,
damit das Wesentliche der Erfindung besser zum Ausdruck kommt, Weggelassen wurden
z. B. hydrostatische Lager, Trennuten unter atmosphärischem Druck, usw.
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Wie deutlich zu erkennen ist, sind die Steueröffnungen 12, 13 mit
Bezug auf die Totpunktebene A-B winkelversetzt angeordnet, das heißt, ein Endabschnitt
14, 15 jeder Steueröffnung liegt der Totpunktebene näher als der andere Endabschnitt
16, 170 Von den dem unteren Totpunktbereich B zugewendeten Endabschnitten 15, 16
der Steueröffnungen 12, 13 gehen die Zu-bzw0 Abflußkanäle 18, 19 für die Arbeitsflüssigkeit
in Form von trichterartigen Erweiterungen abO Ihre Lage ist dabei so gewählt, daß
günstige strömungstechnische Voraussetzungen herrschen, ohne daß sie sich jedoch
gegenseitig in ihror Funktion beeinflussen0 Die Tiefenausbildung der Steueröffnungen
12, 13 (siehe auch Figur 3) ist dabei so gestaltet, daß auch hier weitgehend der
Arbeitsflüssigkeit insofern Rechnung getragen wurde, indem sie keinen, bzw. nur
geringen Strömungsverlusten unterworfen ist0 Weitere Sorgfalt ist besonders dem
Übergang der Arbeitsflüssigkeit von der Steuerfläche 11 zu den einzelnen Zylindern
6 in dem Trommelkörper 5 gewidmet, und zwar in der Weise, indem die Verbindungskanäle
20 zwischen den Zylindern 6 und der rommelstirnseite 21 aus ihrer bei sogenannten
eingezogenen Steuerungen radialen Anordnung in eine fast tangentiale, bzw0 in Drehrichtung
liegende Anordnung geschwenkt wurde, Auch hierdurch erfährt die Arbeitsflüssigkeit
unter Vermeidung von Strömungsverlusten eine wesentlich bessere Umlenkung
bzw0
einen strömungstechnisch günstigeren Übergang von den Zylindern zu den Steueröffnungen
bzw0 umgekehrt Die Figuren 3 und 4 veranschaulichen deutlich die Lage und Anordnung
der Verbindungskanäle 20, ausgehend vom Boden der Trommelzylinder 6 bis zu den in
der Trommelstirnseite 21 liegenden Austrittsöffnungen 22o Die vorteilhafte Wirkungsweise
der verdrehten Steuerfläche 11 ist folgende: (Betrachtet wird hierbei ein Zylinder
im Verlaufe einer Drehung.) Beim Pumpenbetrieb hat der im unteren Totpunkt B stehende
Zylinder noch einen Rest Hochdruckflüssigkeit von der gerade überfahrenen Hochdrucksteueröffnung
13 mitgenommen.
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Der Zylinder bewegt sich nunmehr weiter auf die Niederdrucksteueröffnung
12 zu. Dabei fährt der Kolben im Zylinder hoch und gibt dadurch der unter Druck
stehenden Arbeitsflüssigkeit Gelegenheit sich zu entspannen. Der hierbei von dem
Zylinder zurückgelegte Drehwinkel ist so bemessen, daß die Austrittsöffnung des
Verbindungskanals in der Trommel erst dann mit der Niederdrucksteueröffnung 12 in
Verbindung gelangt, wenn im Zylinder nahezu ein Druckangleich an die im Bereich
der Niederdrucksteueröffnung herrschenden Druckverhältnisse erfolgt ist0 Unmittelbar
nach dem Verlassen der Niederdrucksteueröffnung 12 überfährt der Zylinder den oberen
Totpunkt A. Die von ihm mitgenommene Niederdruckflüssigkeit wird beim Weiterdrehen
auf die Hochdruckseite durch den sich abwärts bewegenden Kolben so. lange vorkomprimiert,
bis die Verbindung mit der Hochdrucksteueröffnung 13 zustande kommt. Auch hier wird
folglich ein Druckangleich geschaffen unter gleichzeitiger Vermeidung von Beschädigungen
herl.orrufenden Druck stößen.
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Wird dieselbe Einheit im Motorbetrieb gefahren, und zwar unter denselben
Bedingungen wie im Pumpenbetrieb, das heißt, dieselbe Neigung der Schwenkscheibe
7 und dieselben Anschlüsse an den Hochdruck- und and den Niederdruckbereich, so
läuft die Einheit nicht mehr entgegen dem Uhrzeigersinn, sondern im Uhrzeigersinn.
Der im unteren Totpunkt B angekommene Zylinder besitzt aus der Niederdrucksteueröffnung
12 mitgenommene Arbeitsflüssigkeit, die aufgrund des eingefahrenen Kolbens und des
größeren Drehwinkeils zwischen dem in Drehrichtung hinten liegenden Endabschnitt
16 der Niederdrucksteueröffnung und dem Totpunktbereich B vorkomprimiert ist. Diese
vorkomprimierte Arbeitsflüssigkeit entspricht in ihrem Druck dann im wesentlichen
den Verhältnissen, die kurz nach dem Überfahren des unteren Totpunktes B beim Kontakt
mit der Hochdrucksteueröffnung 13 anzutreffen sind0 Beim Verlassen der Hochdrucksteueröffnung
bewegt sich der Kolben in dem mit Hochdruckflüssigkeit gefüllten Zylinder aufgrund
des vergrößerten Abstandes zwischen dem hinteren Endabschnitt 17 der Hochdrucksteueröffnung
und dem oberen Totpunkt A noch eine zeitlang aufwärts. Das Volumen im Zylinder vergrößert
sich und der Druck wird abgebaut, Es findet mithin auch hier ein Druckangleich an
den Niederdruckbereich statt