DE3433289C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Radialkolben­ maschine mit stufenlos verstellbarem Kolbenhub, mit einem umlaufenden Zylinderkörper mit symmetrisch über den Umfang verteilten Kolben, die gegen eine zur Welle symmetrische ellipsenförmige Steuerfläche anliegen, die auf der Innen­ seite eines den umlaufenden Zylinderkörper konzentrisch umfangenden Steuerringes ausgebildet ist, der in Axial­ richtung gegen Federkraft verstellbar ist.

Eine Radialkolbenmaschine der vorstehend genannten Art ist durch die US-PS 30 86 477 bekannt. Die bekannte Maschine hat jedoch den Nachteil, daß die Kolben mit Punktberührung auf der Steuerfläche gleiten, was eine hohe spezifische Punktpressung bedeutet, die bei den Festigkeitswerten und den zugehörigen Elastizitätsmodulen der üblichen Kolben­ werkstoffe und des mit den Kolben zusammenwirkenden Steu­ erringes unabhängig von den Maschinenabmessungen nur rela­ tiv kleine Öldrücke zuläßt. Die Steuerfläche des Steuer­ ringes ist am einen Ende des Steuerringes eine einen Null­ hub der Kolben bewirkende Kreisbahn, die zum anderen Ende des Steuerringes in eine Ellipsenbahn übergeht, die einen maximalen Kolbenhub ergibt. Dabei bleibt der innere Tot­ punkt der Kolben über die ganze Breite der Steuerfläche der gleiche. Durch die genannte Ausbildung der Steuer­ fläche und die Ölversorgung über eine Steuerscheibe ergibt sich bei der bekannten Radialkolbenmaschine eine relativ lange Baulänge. Wird eine hydraulische Radialkolben­ maschine für eine hydrostatische Antriebseinrichtung für Fahrzeuge vorgesehen, muß aber eine kompakte raumsparen­ dere Bauform angestrebt werden und muß gleichzeitig auch mit größeren Öldrücken gearbeitet werden können.

Aus der US-PS 15 67 912 sind zwar bei einer hydraulischen Radialkolbenmaschine Kolben in Form zylindrischer Wälz­ körper bekannt, die auf einer unverstellbaren Steuerflä­ che ablaufen. Bei der Verwendung dieser Wälzkörperkolben in Verbindung mit einem verstellbaren Steuerring würden jedoch Probleme auftreten, insbesondere Abdichtprobleme an den Wälzkörperenden, welche den Einsatz einer solchen Radialkolbenmaschine mit höheren Drücken, die durch die Wälzkörperkonstruktion der Kolben möglich wäre, unmöglich machen würden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Radial­ kolbenmaschine der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sie bei einem relativ einfachen Aufbau und kurzer Baulänge mit höheren Öldrücken betrieben werden kann.

Die gestellte Aufgabe wird mit einer hydraulischen Radial­ kolbenmaschine der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kolben als Wälzkörper ausgebildet sind, mit einem kreiszylindrischen Mittelbereich, der an seinen beiden Enden in Kugelabschnitte übergeht, auf der Steuerfläche unter linienförmiger Anlage abrollen und mit ihrer Drehachse um einen kleinen Winkelbereich kippbar im Zylinderkörper angeordnet sind, und daß die Steuerfläche in der Verstellrichtung des Steuerringes so ausgebildet ist, daß sich sowohl der innere als auch der äußere Tot­ punkt für die Kolben ändert.

Durch die spezielle Ausbildung der Steuerfläche wird er­ reicht, daß die für den Betrieb der Radialkolbenmaschine mit höheren hydraulischen Drücken wichtige linienförmige Anlage in jeder Axialstellung des Steuerringes erreicht wird. Durch die kippbare Lagerung der Kolben und die Aus­ bildung der Steuerfläche dergestalt, daß sich bei der Ver­ stellung des Steuerringes sowohl der innere als auch der äußere Totpunkt für die Kolben ändert, wird bereits bei einem kurzen Verstellweg eine starke Hubverstellung der Kolben erreicht. Dadurch läßt sich eine sehr kurze Bau­ länge der Radialkolbenmaschine in axialer Richtung errei­ chen, was insbesondere ihren Einsatz als Nabenmotor für die Antriebsräder eines Fahrzeuges begünstigt. Die Kipp­ bewegung der Kolben in den Zylinderöffnungen läßt sich auf einen relativ kleinen Winkelbereich beschränken, so daß sich durch die Kippbewegung der Kolben bei einer Axial­ verschiebung der Steuerfläche kein nennenswerter Lecköl­ spalt zwischen Kolben und Zylinderwandung ergeben kann.

Bei einer erfindungsgemäß ausgebildeten Radialkolben­ maschine ist ein vollkommener Ausgleich der auftretenden Kräfte erzielbar, so daß die Lagerstellen der Maschine günstig dimensioniert werden können. Auch kann durch die getroffene Ausbildung der Steuerfläche als symmetrische Raumfläche der Förderstrom oder die Ölmengenaufnahme auf Wunsch konstant gehalten werden.

Beim Einsatz der hydraulischen Radialkolbenmaschine als Motor läßt sich eine lastabhängige automatische Verstel­ lung der Steuerfläche und damit eine automatische Anpas­ sung des Kolbenhubs in die Motorbelastung bewirken. Hier­ zu kann erfindungsgemäß der die Steuerfläche aufweisende Steuerring axialverschiebbar und verdrehbar im Gehäuse ge­ lagert sein und auf seinem kreiszylindrischen Außenmantel mehrere gleichmäßig über den Umfang verteilte, schrauben­ linienförmig verlaufende Führungsnuten aufweisen, in wel­ che jeweils ein am Gehäuse befestigter Führungsstift mit einer auf ihm gelagerten Führungsrolle ragt. Um diese Wir­ kung auch in beiden Drehrichtungen zu erhalten, können sich die Führungsnuten für die einzelnen Führungsstifte jeweils von einer Ausgangsstelle aus sowohl in der einen als auch in der anderen Umfangsrichtung mit gleichem Stei­ gungswinkel erstrecken. Das bei der Belastung des Rotors am Rotor wirksame Drehmoment wirkt sich zwangsläufig auch auf die Steuerfläche als Reaktionsmoment aus und bewirkt durch die Führungsnutanordnung ein axiales Vorschrauben des Steuerringes gegen die Kraft der ihn belastenden Federn. Einer bestimmten Verdrehung des die Steuerfläche tragenden Steuerringes entspricht eine entsprechende axiale Verschiebung des Steuerringes und eine entspre­ chende Verstellung des Kolbenhubs aus einer Stellung kleinsten Kolbenhubes in Richtung auf die Stellung maxi­ malen Kolbenhubes. Bei der Verwendung der Kolbenmaschine als Pumpe wird die Steuerfläche zweckmäßig so ausgebildet, daß sie in ihrer einen Endstellung und Ausgangsstellung eine Nullförderung, also keinen Kolbenhub bewirkt.

Um bei der erwähnten Verdrehung des Steuerringes bei einer als Motor eingesetzten Radialkolbenmaschine gemäß der Er­ findung eine Änderung der Steuerzeiten zu vermeiden, kann erfindungsgemäß ein Steuerzapfen der Radialkolbenmaschine mit dem Steuerring mitdrehbar gekoppelt sein. Dabei muß der schwimmend im Rotor des Motors angeordnete Steuerzap­ fen nicht starr mit dem Steuerring gekoppelt sein. Außen­ liegende Verstelleinrichtungen für den Steuerring entfal­ len vollständig, und das Maschinengehäuse kann sich in Radialrichtung über den ganzen Umfang unmittelbar an den Steuerring anschließen, wodurch die erwünschte geringe Axialabmessung der Maschine zusätzlich begünstigt wird.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel einer erfindungs­ gemäß ausgebildeten Radialkolbenmaschine anhand der Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 einen zentralen Querschnitt durch die Radialkolbenmaschine entlang der Linie I-I in Fig. 2;

Fig. 2 einen abgewinkelten Querschnitt durch die Maschine entlang der Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 und 4 eine Seitenansicht und eine stirnsei­ tige Ansicht eines als Wälzkörper aus­ gebildeten Kolbens der Maschine;

Fig. 5 eine Einzeldarstellung des Steuerringes der Maschine von der einen Stirnseite her;

Fig. 6 eine Darstellung der anderen Stirnseite des Steuerringes;

Fig. 7 einen Querschnitt durch den Steuerring entlang der Linie VII-VII in Fig. 5;

Fig. 8 eine gegenüber Fig. 5 um 90° gedrehte Ansicht des Steuerringes, teilweise im Schnitt entlang der Linie VIII-VIII in Fig. 5;

Fig. 9 einen Teilschnitt durch den Steuerring entlang der Linie IX-IX in Fig. 5.

Die hydraulische Radialkolbenmaschine weist ein zylindri­ sches Gehäuse 10 auf, das in seiner einen Hälfte drei symmetrisch über den Umfang verteilte Auswölbungen 11 mit achsparallel verlaufenden Gewindebohrungen 12 aufweist, in denen Schrauben zur Befestigung eines das Gehäuse auf sei­ ner einen Seite verschließenden Deckels 13 verankerbar sind. Die andere Stirnseite des Gehäuses 10 ist durch eine auf einen Außenflansch 19 des Rotors aufgesetzte Montage­ ringscheibe 14 verschlossen, die mit einer großen zentra­ len Öffnung 15 versehen ist, durch welche ein Anschlußwel­ lenstumpf 16 des Maschinenrotors ragt. An den Außenrändern der Montageringscheibe 14 und des Außenflansches 19 und auf der gegenüberliegenden Innenseite des Gehäuses sind Ringnuten 17 als Lagernuten für die Kugeln 18 eines Vier­ punkt-Wälzlagers ausgebildet, mit welchem der Rotor im Ge­ häuse 10 spielfrei gelagert ist. Das Vierpunkt-Wälzlager ist mittels Kunststoffmanschetten 20 abgedichtet. Die Mon­ tageringscheibe 14 dient beispielsweise zum Befestigen einer Bremsscheibe eines Fahrzeugrades, wenn die Radial­ kolbenmaschine als Nabenmotor für ein Fahrzeugrad einge­ setzt wird.

Der hohlzylindrische Hauptteil des Rotors bildet den Zylinderkörper 21, in welchem sechs gleichmäßig über sei­ nen Umfang verteilte, langlochförmige Durchgangsöffnungen 22 als Zylinderöffnungen ausgebildet sind. In den Zylin­ deröffnungen 22 sind als Wälzkörper ausgebildete Kolben 23 angeordnet, an deren Querschnittsform der Querschnitt der Zylinder-Durchgangsöffnungen 22 angepaßt ist. Die Fig. 3 und 4 zeigen einen Kolben 23 in Einzeldarstellung. Er be­ steht aus einem kreiszylindrischen Mittelteil 23.1, der an beiden Enden in einen Kugelabschnitt 23.2 und 23.3 über­ geht. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Kugelabschnitte 23.2 und 23.3 Abschnitte einer Kugel, deren Mittelpunkt M im Zentrum des Kolbens 23 liegt.

In den hohlen Zylinderkörper 21 des Rotors ist eine Ver­ teilerbuchse 24 spielfrei eingesetzt, die auf die Zylin­ derdurchgangsöffnungen 22 ausgerichtete Öffnungen 25 auf­ weist, in welche die Kolben 23 eintauchen können und deren Querschnitt so gewählt ist, daß ein Durchkippen der Wälz­ körper-Kolben 23 im Zylinderkörper 21 verhindert wird.

Die Kolben 23 liegen mit ihrem kreiszylindrischen Mittel­ abschnitt 23.1 linienförmig an einer Steuerfläche 26 an, die auf der Innenseite eines mit seinem kreiszylindrischen Außenmantel 28 mit Gleitsitz in das Gehäuse 10 passend eingesetzten Steuerringes 27 ausgebildet ist, der in den Fig. 5 bis 9 einzeln dargestellt ist. Fig. 5 zeigt die vordere Stirnseite 27.1 und Fig. 6 die hintere Stirnseite 27.2 des Steuerringes 27. Die Fig. 7 bis 9 zeigen Längs­ schnitte durch den Steuerring 27 an unterschiedlichen Um­ fangsstellen. Aus den Schnittbildern der Fig. 2 und 7 bis 9 ist die Geradlinigkeit der Steuerfläche 26 in der An­ lagerichtung des kreiszylindrischen Mittelbereiches 23.1 der Wälzkörper-Kolben 23 ersichtlich. Die unterschiedli­ chen Umfangslinien der Steuerfläche an der vorderen Stirn­ seite 27.1 und an der hinteren Stirnseite 27.2 des Steuer­ ringes 27 sind aus den Fig. 5 und 6 zu erkennen. Die Um­ fangslinie der Steuerfläche 26 auf der vorderen Stirnseite 27.1 ist mit der Bezugsziffer 26.1 und die Umfangslinie der Steuerfläche 26 auf der hinteren Stirnseite 27.2 des Steuerringes 27 ist mit der Bezugsziffer 26.2 bezeichnet. Die Umfangslinie 26.1 bestimmt den kleinsten Kolbenhub und die Umfangslinie 26.2 der Steuerfläche 26 den maximal mög­ lichen Kolbenhub. Die Steuerfläche 26 ist also so ausge­ bildet, daß sich bei einer Axialverschiebung des Steuer­ ringes 27 sowohl die den inneren Totpunkt für die Kolben als auch die den äußeren Totpunkt für die Kolben bildenden Flächenbereiche ändern. Die Schnittbilder zeigen, daß die Steuerfläche 26 aus einer Parallellage (Fig. 9) innerhalb eines relativ kleinen Winkelbereiches wechselnde Schräg­ lagen zur Längsachse A des Rotors und des Steuerringes 27 und entsprechend wechselnde Anlagelinien für die Kolben 23 bildet. Daraus resultiert eine leichte Kippbewegung der Kolben 23 in den Zylindern, denen die Kolben durch ihre Formgebung ohne merkliche Dichtungsminderung folgen kön­ nen. Die Umfangslinie 26.1 der Steuerfläche 26, die den kleinsten Kolbenhub bestimmt, hat gemäß Fig. 5 annähernd Kreisform und kann bei einer Ausbildung der Maschine als Pumpe zur Erzielung einer Nullförderung auch volle Kreis­ form haben. Die Umfangslinie 26.2 für den Maximalhub der Kolben hat gemäß Fig. 6 einen stark ovalen Verlauf. Die Gesamtkolbenhubverstellung kann hierbei beispielsweise soweit getrieben sein, daß bei einer Ausführungsform der Maschine als Motor bei Maximalhub der Kolben die doppelte Fördermenge als beim vorgegebenen Minimalhub der Kolben erreicht wird.

Die in der Zeichnung dargestellte Maschine ist für den Einsatz als Motor gedacht. Der Steuerring 27 ist mittels aus Fig. 2 ersichtlicher Schraubendruckfedern 29 in eine ebenfalls aus Fig. 2 ersichtliche Ausgangsstellung vorge­ spannt, in welcher die Steuerfläche 26 mit dem Bereich ihrer Umfangslinie 26.1 die Kolben 23 im Sinne eines mini­ malen Kolbenhubes beeinflußt. Am zylindrischen Außenumfang 28 des Steuerringes 27 sind an drei Stellen schrauben­ linienförmig verlaufende, in der Projektion V-förmig er­ scheinende Führungsnuten 30 ausgebildet, von denen eine in Fig. 8 ersichtlich ist. Die beiden Nutabschnitte 30.1 und 30.2 bilden also von ihrer Verbindungsstelle 30.3 in ent­ gegensetzter Umfangsrichtung mit gleicher Steigung aus­ gehende Gewindegänge. In diese V-förmigen Führungsnuten 30 ragt jeweils eine Führungsrolle 32, die auf einem radial im Gehäuse 10 befestigten Führungsstift 31 drehbar ge­ lagert ist (Fig. 2). In der aus Fig. 2 ersichtlichen Aus­ gangslage des Steuerringes 27 befindet sich die Führungs­ rolle 32 jeweils an der aus Fig. 8 ersichtlichen Verbin­ dungsstelle 30.3 der Führungsnuten 30.

Die Schraubendruckfedern 29 sind unter Verkürzung der axialen Baulänge der Maschine in zwei einander gegenüber­ liegenden Umfangsbereichen des Steuerringes 27 jeweils in eine zur Stirnseite 27.1 hin offene Blindbohrung 33 des Steuerringes 27 eingesetzt. Gemäß Fig. 5 sind in den bei­ den Umfangsbereichen jeweils sieben solcher Blindbohrungen 33 ausgebildet. Die Schraubendruckfedern 29 stützen sich einerseits am Boden der Blindbohrungen 33 und andererseits an einer Ringscheibe 34 ab, die am Deckel 13 frei drehbar anliegt. Von dieser Ringscheibe 34 ragt mindestens ein Mitnehmerstift 35 in eine Schraubendruckfeder 29 und bis in die zugehörige Blindbohrung 33 des Steuerringes 27. An der Ringscheibe 34 sind außerdem Mitnehmervorsprünge 36 befestigt, zwischen welche ein Radialzapfen oder Steg 37 ragt, der an dem zentralen Steuerzapfen 38 der Maschine befestigt ist, der durch eine zentrale Öffnung 39 im Deckel 13 hindurch frei schwimmend in die Verteilerbuchse 24 hineinragt und in bekannter Weise auf die Öffnungen 25 der Verteilerbuchse ausgerichtete Öffnungen 40 für die Zufuhr und Abfuhr der Hydraulikflüssigkeit zu und von den Zylindern aufweist.

Die Axialverschiebung des Steuerringes 27 im Gehäuse 10 wird zwangsläufig durch ein Reaktionsdrehmoment erzeugt, das von dem am Rotor wirksamen Belastungsdrehmoment vom Zylinderkörper am Steuerring 27 auftritt. Durch das Reak­ tionsdrehmoment wird der Steuerring 27 gegen die Kraft der Schraubendruckfedern 29 in Fig. 2 nach rechts in Richtung auf den Deckel 13 des Gehäuses 10, geführt durch die in den Nuten 30 laufenden Führungsrollen 32, praktisch vorge­ schraubt, wobei die Kolben 23 durch die Steuerfläche 26 einen immer größeren Hub erhalten. Die dabei erfolgende Verdrehung des Steuerringes 27 wird über den mindestens einen Führungsstift 35 auf die Ringscheibe 34 und über den Radialzapfen 37 weiter auf den Steuerzapfen 38 der Maschine übertragen. Der Steuerzapfen 38 macht also die Drehbewegung des Steuerringes 27 mit.

Claims (4)

1. Hydraulische Radialkolbenmaschine mit stufenlos ver­ stellbarem Kolbenhub, mit einem umlaufenden Zylinder­ körper mit symmetrisch über den Umfang verteilten Kolben, die gegen eine zur Welle symmetrische ellipsen­ förmige Steuerfläche anliegen, die auf der Innenseite eines den umlaufenden Zylinderkörper konzentrisch um­ fangenden Steuerringes ausgebildet ist, der in Axial­ richtung gegen Federkraft verstellbar ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kolben (23) als Wälzkörper ausge­ bildet sind, mit einem kreiszylindrischen Mittelbereich (23.1), der an seinen beiden Enden in Kugelabschnitte (23.2, 23.3) übergeht, auf der Steuerfläche (26) unter linienförmiger Anlage abrollen und mit ihrer Drehachse um einen kleinen Winkelbereich kippbar im Zylinderkör­ per (21) angeordnet sind, und daß die Steuerfläche (26) in der Verstellrichtung des Steuerringes (27) so aus­ gebildet ist, daß sich sowohl der innere als auch der äußere Totpunkt für die Kolben (23) ändert.

2. Radialkolbenmaschine als hydraulischer Motor nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die Steuer­ fläche (26) aufweisende Steuerring (27) axialverschieb­ bar und verdrehbar im Gehäuse (10) gelagert ist und auf seinem kreiszylindrischen Außenmantel (28) mehrere gleichmäßig über den Umfang verteilte, schraubenlinien­ förmig verlaufende Führungsnuten (30) aufweist, in wel­ che jeweils ein am Gehäuse (10) befestigter Führungs­ stift (31) mit einer auf ihm gelagerten Führungsrolle ragt.

3. Radialkolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich die Führungsnuten (30) für die ein­ zelnen Führungsstifte (31) jeweils von einer Ausgangs­ stelle (Nutstelle 30.3) aus sowohl in der einen als auch in der anderen Umfangsrichtung mit gleichem Stei­ gungswinkel erstrecken (Nutbereiche 30.1, 30.2).

4. Radialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuerzapfen (38) der Radialkolbenmaschine mit dem Steuerring (27) mitdrehbar gekoppelt ist.