Beschreibung

Titel

Axialkolbenmaschine

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Axialkolbenmaschinen sind hydrostatische Pumpen oder Motoren, die auf dem Verdrangerprinzip beruhen. Bekannte Axialkolbenmaschinen weisen mehrere in Zylinderbohrungen in ei- nem rotierenden Zylinderblock sowie an einer schwenkbaren Schwenkwiege (Schragscheibe) kinematisch geführte Kolben auf. Die Kolben werden auf der Fluidseite der Axialkolbenmaschine durch den Fluiddruck beaufschlagt, wobei die dadurch entstehenden Kräfte auf der gegenüberliegenden KoI- benseite, insbesondere über jeweils mindestens einen Gleitschuh, an der Schwenkwiege abgestutzt. Die Kraftkomponente, die in Richtung der Gleitflachennormalen der Schwenkwiege wirkt, wird über mindestens ein Schwenklager entweder unmittelbar im Gehäuse oder über eine separate Lagerschale mittelbar am Gehäuse abgestutzt. Bekannte Axialkolbenmaschinen weisen geeignete Stellglieder auf, um die Schwenkwiege in ihrem Winkel zur Drehachse des Zylinderkorpers stufenlos zu verschwenken. über den Schragstellungswinkel der Schwenkwiege wird der kinematische Kolbenhub einge- stellt. Ein großer Vorteil bekannter Axialkolbenmaschinen liegt in der schnellen Einstellung und änderung des Fluid- durchsatzes bei konstanter Drehzahl begründet. Die zur Anwendung kommenden Schwenklager zur Lagerung der Schwenk-

wiege im Gehäuse sind häufig als hydrostatisch unterstützte Gleitlager ausgebildet, was bedeutet, dass der Lagerspalt mit einem unter Druck stehenden Fluid beaufschlagt ist, wodurch die Schwenkwiege vom Gehäuse bzw. von der Lagerschale abgehoben wird, wodurch wiederum eine schnelle, widerstandsarme Schwenkwinkelverstellung möglich ist. Das aus dem Schwenkwiegenlager austretende Fluid wird als sogenanntes Leckfluid einem Fluidtank wieder zugeführt. Bei der konstruktiven Auslegung bekannter Axialkolbenmaschinen wird einerseits darauf geachtet, dass der Schmierfilm (Fluid) innerhalb des Lagerspaltes ausreichend dick ist, um die Schwenkwiege von der Lagerschale bzw. dem Gehäuse zu trennen. Andererseits soll der Leckagestrom möglichst gering ausfallen und die Stelldruckpulsation soll möglichst gering gehalten werden, was für eine geringe Geräuschentwicklung der Maschine ausschlaggebend ist. Dabei liegen die Forderungen nach einem ausreichend dicken Schmierfilm und einem geringen Leckagestrom sowie einer geringen Stelldruckpulsation diametral gegenüber.

Offenbarung der Erfindung Technische Aufgabe

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Axial- kolbenmaschine mit einer Schwenkwiege vorzuschlagen, deren Lagerung hinsichtlich Leckagestrom, Stelldruckpulsation und Schmierfilmdicke optimiert ist.

Technische Lösung

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst .

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung zur Steuerung und/oder Regelung des Fluiddrucks im Lagerspalt, also zur Regelung und/oder Steuerung des Schmierfilmdrucks vorzusehen. Die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung kann grundsätzlich an beliebiger Stelle in der Axialkolbenmaschine ange- ordnet werden. Für die meisten Anwendungsfälle ist es ausreichend, lediglich eine Steuerung zu realisieren. Durch die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung kann der Fluiddruck und damit die Schmierfilmdicke an den Betriebszustand der Axialkolbenmaschine angepasst werden. Der Fluidvolumenstrom im Lagerspalt stellt sich proportional zu dem Fluiddruck selbsttätig ein. Somit kann über die Steuerung und/oder Regelung des Fluiddrucks Einfluss auf die Größe des Leckagestroms genommen werden. Wird ein geringer Fluiddruck eingestellt, so verringert sich die Schmierfilm- dicke, der Leckagestrom sowie die Stelldruckpulsation . Bei einer Erhöhung des Fluiddrucks steigt dagegen die Schmierfilmdicke und der Leckagestrom sowie die Stelldruckpulsation nehmen zu. Grundsätzlich kann die Steuerung und/oder Regelung hydraulisch, elektrisch und/oder mechanisch erfol- gen. Aufgrund der Erfindung ist es erstmals möglich, die Schmierfilmparameter in Abhängigkeit des Betriebszustands zu variieren.

In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass das schmierfilmbildende Fluid, dessen Druck und Volumenstrom über die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung einstellbar ist, das von der Axialkolbenmaschine geförderte

bzw. das diese antreibende Förderfluid ist. Hierdurch kann auf einen zusätzlichen Fluidkreis verzichtet werden.

In Ausgestaltung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung den Fluiddruck im stationären Betrieb, also bei konstantem Schwenkwinkel gering eingestellt wird. Hierdurch arbeitet die Axialkolbenmaschine mit geringer Leckage, d.h. mit einem hohen volumetrischen Fördergrad und mit einer geringen Geräuschentwicklung (geringe Stelldruckpulsation) . Lediglich für einen Verstellvorgang wird der Fluiddruck im Lagerspalt erhöht, um eine möglichst widerstandsarme Lagerdrehbewegung zu ermöglichen. Hierdurch verschlechtert sich der volumetrische Fördergrad sowie die Geräuschentwicklung nur für die Zeitspanne des Verstellvorgangs zugunsten eines geringeren Lagerwiderstandes. Nach Abschluss der Verstellbewegung wird der Fluiddruck und damit der Fluidvolu- menstrom wieder reduziert, wodurch sich wiederum der Lecka- gefluidstrom und die Geräuschentwicklung verringern. Somit ist der Leckagefluidstrom und die Geräuschentwicklung über den größten Teil der Betriebszeit optimal, d.h. geringer als bei bekannten Pumpen ohne eine Steuerungs- und/oder Regeleinrichtung für den Fluiddruck im Lagerspalt.

Um eine möglichst widerstandsarme Schwenkwiegenverstellung zu ermöglichen, ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass der Fluiddruck nicht erst unmittelbar mit Beginn der Schwenkwiegenverstellung erhöht wird, sondern bereits kurz zuvor. Bevorzugt wird der hierzu notwendige, insbeson- dere maximale, Fluiddruck bereits vor Beginn der Verstellbewegung erreicht. Insbesondere wird der Fluiddruck weniger als 5 sec, vorzugsweise weniger als 2 sec, bevorzugt weniger als 1 sec. vor dem Beginn der Verstellbewegung von

der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung erhöht. Erhalt die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung ein Verstellsignal, so wirkt diese unmittelbar steuernd und/oder regelnd auf den Fluiddruck ein und erhöht diesen.

Zur Realisierung einer Regelungseinrichtung ist mindestens eine Elektronikeinheit vorgesehen, die mit mindestens einem Drucksensor und/oder einem Volumenstromsensor verbunden ist. Dieser Sensor misst den Druck bzw. den Volumenstrom innerhalb des Lagerspalts oder in einer Zuleitung zu dem Lagerspalt. Die Elektronikeinheit regelt den gemessenen Istdruck bzw. Istvolumenstrom auf einen vorgegebenen Solldruck bzw. Sollvolumenstrom.

Bevorzugt umfasst die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung eine Fluidzuleitung mit mindestens einem Ventil, über das der Querschnitt der Zuleitung veränderbar ist. Soll die Schwenkwiege verschwenkt werden, so wird der Zuleitungsquerschnitt von der Steuerungs- und/oder Regelungs- einrichtung erhöht, so dass der Fluiddruck im Lagerspalt ansteigt, wodurch sich der Lagerspalt vergrößert.

Alternativ dazu ist es möglich, dass mindestens zwei Zuleitungen in den Lagerspalt munden, wobei mindestens eine der Zuleitungen mittels eines Ventils absperrbar ist und/oder der Querschnitt mindestens einer der Zuleitungen mittels eines Ventils veränderbar ist. Bevorzugt ist der Querschnitt mindestens einer der Zuleitungen nicht veränderbar. über diese Zuleitung wird der Lagerspalt standig mit Fluid versorgt. Wahrend der Verstellbewegung wird eine weitere Zuleitung freigeschaltet oder deren Querschnitt vergrößert.

Um den Bauraum der Axialkolbenmaschine optimal auszunutzen, ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung mit Vorteil vorgesehen, dass mindestens eine der Zuleitungen, vorzugsweise sämtliche Zuleitungen durch die Schwenkwiege hin- durchgeführt sind. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Zuleitungen an ein hydraulisches Verstellglied zur Verstellung der Schwenkwiege angeschlossen sind, über welches die Zuleitungen mit Förderfluid gespeist werden. Gegebenenfalls kann mindestens eine Zuleitung zusätzlich oder alternativ durch das Gehäuse geführt werden.

Zur dauerhaften Reduzierung des Fluiddrucks ist es von Vorteil, wenn mindestens eine Zuleitung zu dem Lagerspalt einen Drosselabschnitt bzw. eine Drossel aufweist, um den Vo- lumenstrom und damit den Leckagestrom sowie die Stelldruck- pulsation dauerhaft zu verringern.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Figuren erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1: eine schematisch, geschnittene Darstellung einer Axialkolbenmaschine mit einer Schwenkwiege,

Fig. 2: eine um 90° gedrehte Ansicht von Fig. 1, jedoch mit nicht geneigter Schwenkwiege und

Fig. 3: eine mögliche Ausgestaltungsform eines Details aus den Fig. 1 und Fig. 2, das eine mögliche Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung zeigt.

Ausführungsformen der Erfindung

In den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit gleicher Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet .

Die gezeigte Axialkolbenmaschine 1 ist mit einer Schwenkwiege 2 versehen, die schwenkbar innerhalb eines Gehäuses 3 angeordnet ist. Die Schwenkwiege 2 ist zwischen der in Fig. 1 gezeigten geneigten Position und der in Fig. 2 ge- zeigten geraden Position stufenlos verstellbar.

Innerhalb des Gehäuses 3 ist eine Welle 4 mit Hilfe zweier in axialer Richtung beabstandeter Wälzlager 5, 6 drehbar gelagert. Die Welle 4 ist mit einem Zylinderkörper 7 dreh- fest verbunden, wobei innerhalb von über den Umfang des Zylinderkörpers 7 verteilten Zylinderbohrungen 8 in axialer Richtung parallel zur Welle 4 bewegbare Kolben 9 angeordnet sind. Die Kolben 9 rotieren zusammen mit der Welle 4 und dem Zylinderkörper 7 in Umfangsrichtung und stützen sich dabei mit Gleitschuhen 10 auf einer Gleitoberfläche 11 der Schwenkwiege 2 ab.

Mit Hilfe einer Schraubendruckfeder 12 wird der Zylinderkörper 7 gegen eine Steuerplatte 13 angefedert, in der eine Saugniere 14 und eine Druckniere 15 eingebracht sind. Die Steuerplatte 13 liegt mit der in der Zeichnungsebene rechten Seite an einer Anschlussplatte 16 in der Weise an, dass sich die Saugniere 14 an einem Sauganschluss 17 und die

Druckniere 15 an einem Druckanschluss 18 befinden. Durch die Rotation des Zylinderkorpers 7 und der nicht eingezeichneten Zylinderachse und durch die kinematische Fuhrung der Kolben 9 in den Zylinderbohrungen 8 und an der Schwenk- wiege 2 fuhren die Kolben 9 periodische Bewegungen in axialer Richtung parallel zur Welle 4 aus, wobei in der Bewegungsrichtung von der Steuerplatte 13 weg das Fluid von der Saugniere 14 angesaugt wird und das Fluid in der entgegengesetzten Bewegungsrichtung der Kolben 9 in die Druckniere 15 gefordert wird.

In der Darstellung gemäß Fig. 1 ist die Schwenkwiege 2 in einer Schragposition dargestellt, wohingegen die Schwenkwiege 2 in Fig. 2 eine nicht geneigte, d.h. orthogonal zur Welle 4 angeordnete Position einnimmt. Wird die Welle 4 in letzterer Position der Schwenkscheibe 2 in Rotation versetzt, bewegen sich die Kolben 9 nicht axial, sondern nur in Umfangsrichtung und es erfolgt keine Fluidforderung, wohl aber werden die Kolben 9 beim überstreichen der Saug- niere 14 bzw. der Druckniere 15 abwechselnd mit Saugdruck bzw. Forderdruck beaufschlagt.

Zum Verschwenken der Schwenkwiege 2 sind zwei Kolbenzylindereinheiten 19, 20 vorgesehen, die mit Forderfluid ver- sorgt werden. Dabei ist die Kolben-Zylindereinheit 19 mit geringerem Querschnitt nicht steuerbar, das bedeutet, diese ist immer mit maximalem Forderdruck beaufschlagt. Die Kolben-Zylindereinheit 19 umfasst eine Schraubendruckfeder 21, die sicherstellt, dass die Schwenkwiege 2 auch bei geringem oder gar keinem überdruck im Druckanschluss 18 und/oder im Zylinder der Kolben-Zylindereinheit 19 ausgelenkt wird. Die Steuerung der Verstellbewegung erfolgt über die zweite Kolben-Zylindereinheit 20, welche einen größeren Durchmesser

aufweist als die erste Zylinder-Kolbeneinheit 19. Gegebenenfalls erfolgt die Verstellung der Schwenkscheibe 2 mittels der Kolben-Zylindereinheit 20 entgegen der von der Kolben-Zylindereinheit 19 auf die Schwenkwiege 2 ausgeübten Druckkraft.

Um eine möglichst widerstandsarme Verstellbewegung der Schwenkwiege 2 innerhalb des Gehäuses 3, beispielsweise von der in Fig. 2 gezeigten Position in die in Fig. 1 gezeigte Position, zu ermöglichen, ist die Schwenkwiege 2 über ein als Gleitlager ausgebildetes Schwenklager 22 im Gehäuse 3 gelagert. Hierzu ist innerhalb des Gehäuses 3 eine Lagerschale 23 fest angeordnet. Zwischen der Lagerschale 23 und der Schwenkwiege 2 ist ein Lagerspalt 24 (s. Fig. 3) vorge- sehen, durch den ständig Förderfluid gepumpt wird. Das Vorsehen einer Lagerschale 23 ist fakultativ. Der Lagerspalt kann beispielsweise auch unmittelbar zwischen Schwenkwiege und Gehäuse oder zwischen zwei gegenüberliegenden Lagerschalen vorgesehen sein, wobei im letzteren Fall eine der Lagerschalen drehfest mit der Schwenkwiege verbunden ist. Der aus dem Lagerspalt 24 herausströmende Leckagefluidstrom wird einem nicht dargestellten Förderfluidtank zugeführt. Durch das durch den Lagerspalt 24 hindurchströmende, unter Druck stehende Förderfluid wird das Schwenklager hydrostatisch unterstützt. Ein Aufsitzen der Schwenkwiege 2 auf der Lagerschale 23 und damit ein Pressen des Lagers wird mit Vorteil vermieden.

Gemäß der Erfindung ist eine Steuerungs- und/oder Rege- lungseinrichtung 25 vorgesehen. Diese umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Elektronikeinheit 26, d.h. eine Logikeinheit. Diese wirkt stellend auf ein in diesem Ausführungsbeispiel als Absperrventil ausgebildetes Ventil

27 ein, welches innerhalb einer von zwei parallelen Zuleitungen 28, 29 für Förderfluid zum Lagerspalt 24 angeordnet ist. Beide Zuleitungen 28, 29 werden über eine gemeinsame Versorgungsleitung 30 mit Förderfluid versorgt. Die Zulei- tungen 28, 29 sowie die Versorgungsleitung 30 sind innerhalb der Schwenkwiege 2 angeordnet und werden vom Förderfluid aus der Kolben-Zylindereinheit 19 und/oder aus dem Druckanschluss 18 versorgt. Hierzu sind innerhalb der Kolben-Zylindereinheit 19 und/oder innerhalb des Gehäuses 3 entsprechende Zuleitungen bzw. Versorgungsbohrungen vorgesehen .

Der Querschnitt der Zuleitung 28 ist nicht variabel, so dass durch diese eine andauernde Versorgung des Lagerspal- tes 24 mit unter Druck stehendem Fluid erfolgt. Während einer Verstellbewegung der Schwenkwiege 2 mittels der Kolben- Zylindereinheiten 19, 20, bzw. kurz vor einer derartigen Verstellbewegung, wird von der Elektronikeinheit, wenn diese einen entsprechenden Befehl über eine Signalleitung 31 erhält, das Ventil 27 geöffnet, wodurch sich der Fluiddruck innerhalb des Lagerspaltes 24 erhöht, wodurch sich wiederum die Schmierfilmdicke und damit die Dicke d des Lagerspaltes 24 erhöht. Ein Fressen und/oder Mischreibung und/oder Trockenreibung und damit einhergehender Ver- schleiß des Lagers 22 während der Verstellbewegung wird somit mit Vorteil vermieden.

Alternativ hierzu ist das Ventil 27 nicht als Absperrventil, sondern als Querschnittsveränderungsventil ausgebil- det. Weiterhin alternativ kann auf die Zuleitung 28 verzichtet werden, wobei in diesem Fall sichergestellt werden sollte, dass ständig ausreichender Fluiddruck innerhalb des Lagerspaltes 24 vorhanden ist, um ein Aufsitzen der

Schwenkwiege 2 auf der Lagerschale 23 zu verhindern. Gegebenenfalls können auch zusätzlich zu den Zuleitungen 28, 29 weitere Zuleitungen vorgesehen werden, die teilweise im Querschnitt nicht veränderbar sind und die teilweise mit einem entsprechenden Absperr- oder Querschnittsveränderungsventil ausgestattet sind.

In Fig. 3 ist die Elektronik- bzw. Logikeinheit 26 über eine gestrichelt dargestellte, fakultative Signalleitung 32 mit einem fakultativen Drucksensor 33 verbunden, der die Elektronikeinheit 26 mit einer Istdruckgröße versorgt. In diesem Fall handelt es sich bei der Einrichtung gemäß Fig. 3 um eine Regelungseinrichtung. Im Falle einer ausschließlichen Steuereinrichtung kann auf den Sensor 33 und die Signalleitung 32 verzichtet werden.