Titel

Axialkolbenmaschine

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

Stand der Technik

Axialkolbenmaschinen sind hydrostatische Pumpen oder Motoren, die auf dem Verdrängerprinzip beruhen und hydraulische Flüssigkeiten verdichten bzw. von verdichteten Flüssigkeiten angetrieben werden. Die bekannten

Axialkolbenmaschinen weisen mehrere in Arbeitszylindern in einer rotierenden Kolbentrommel sowie an einer schwenkbaren Schwenkwiege kinematisch geführte Arbeitskolben auf. Die Arbeitskolben werden auf der Fluidseite der Axialkolbenmaschine mit einem Fluiddruck beaufschlagt, wobei die dadurch entstehenden Kräfte auf der gegenüberliegenden Seite der Arbeitskolben, insbesondere über jeweils einen Gleitschuh, an der Schwenkwiege

aufgenommen werden.

Eine Axialkolbenmaschine kann sowohl im Pumpen- als auch im Motorbetrieb betrieben werden:

Bei einer Axialkolbenpumpe wird die Kolbentrommel über eine Triebwelle durch ein Getriebe angetrieben und das Fluid in den Arbeitszylindern durch die Arbeitskolben gegen einen Hochdruckbereich verdichtet.

Bei einem Axialkolbenmotor wird den Arbeitszylindern unter Hochdruck stehendes Fluid zugeführt und so eine Drehbewegung der Kolbentrommel erzeugt und dadurch ein Drehmoment an der Triebwelle erzeugt. Aus der EP 0 608 144 A2 ist eine solche Axialkolbenpumpe bekannt, deren Triebwelle mit einem ersten Lager als Kegelrollenlager und mit einem zweiten Lager als Gleitlager ausgeführt ist. Dabei besitzt das Gleitlager als Axiallager einen Lagerboden, der als Anschlagfläche für die Triebwelle dient, wenn Axialkräfte in einer Richtung vom Kegelrollenlager zum Gleitlager eingeleitet werden.

Die Fertigung des bekannten Axiallagers erfordert jedoch eine hohe

Passgenauigkeit zwischen Triebwelle und Gleitlager. Aufgrund des

Einpressvorgangs des Gleitlagers ins Gehäuse der Axialkolbenpumpe kann es weiterhin zu nachteiligen Deformationen am Lagerboden und daraufhin zu zusätzlichem Verschleiß kommen.

Die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine hat demgegenüber den Vorteil, dass ein einfach zu fertigendes Axiallager verwendet wird.

Offenbarung der Erfindung

Dazu weist die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine ein Gehäuse, eine Triebwelle und eine Kolbentrommel auf, wobei die Kolbentrommel mit der Triebwelle verbunden ist. Die Triebwelle ist durch ein erstes Lager und ein zweites Lager innerhalb des Gehäuses rotierbar gelagert, wobei das erste Lager als Kegelrollenlager und das zweite Lager als Gleitlager ausgebildet ist. Das erste Lager kann Axialkräfte auf die Triebwelle in einer Kraftrichtung vom zweiten Lager zum ersten Lager aufnehmen und die Triebwelle ist in dieser Kraftrichtung vorgespannt. Auf einer zum An- bzw. Abtrieb gewandten Gehäusestirnseite des Gehäuses ist eine Anschlagfläche angeordnet, die mit einer der Anschlagfläche gegenüberliegenden Anlauffläche eines auf der Triebwelle angeordneten Antriebrades bzw. Abtriebrades zusammenwirken kann. Dadurch ist die

Axialkraftaufnahme in einfacher Weise dem An- bzw. Abtriebrad zugeordnet und kann sogar außerhalb des Gehäuses angeordnet werden, so dass eine gut handhabbare Einstellung und Überprüfung der Kontaktflächen des Axiallagers erfolgen kann. In einer vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine ist die Anschlagfläche an einer auf der Gehäusestirnseite angeordneten

Stahlscheibe ausgebildet. Dadurch können Anschlagfläche und Stahlscheibe aus unterschiedlichem Material gefertigt werden und dementsprechend optimiert an die jeweiligen Funktionen angepasst werden. Für die Stahlscheibe ist bevorzugt ein verschleißfestes Material zu verwenden, das gleichzeitig gute tribologische Eigenschaften beim Kontakt mit der Anlauffläche des An- bzw. Abtriebrades aufweist, speziell einen niedrigen Reibwert. Vorteilhafterweise ist das Gehäuse zweiteilig ausgeführt, mit einem antriebs- bzw. abtriebsseitigem ersten Gehäuseteil, in dem das erste Lager angeordnet ist, und einem gehäuseendseitigem zweiten Gehäuseteil, in dem das zweite Lager angeordnet ist. Dadurch können bei kompakter Bauweise alle

funktionsnotwendigen Teile der Axialkolbenmaschine innerhalb des Gehäuses angeordnet werden.

In einer vorteilhaften Ausführung wird die Vorspannkraft durch eine Feder erzeugt, die zwischen Triebwelle und Kolbentrommel angeordnet ist. Dadurch wird zum einen die Triebwelle gegen das als Kegelrollenlager ausgeführte erste Lager vorgespannt und zum anderen die Kolbentrommel gegen das Gehäuse.

Die Funktionsweise des Kegelrollenlagers erfordert eine axiale Vorspannung, durch den Einsatz der Feder entfällt so eine aufwändige alternative Art der Vorspannung. Im Betrieb der Axialkolbenmaschine kann es zum Abheben der Kolbentrommel vom Gehäuse bzw. von einer dazwischen angeordneten

Steuerscheibe kommen und damit zu erhöhter Leckage. Die Federkraft auf die

Kolbentrommel wirkt dieser Leckage vorteilhaft entgegen.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine besteht das zweite Lager aus einem Verbundmaterial. Durch die Trennung von Axial- und Radiallagerfunktionen für das zweite Lager kann die Gestaltung des als Gleitlager ausgeführten zweiten Lagers auf die Radiallagerfunktionen hin optimiert werden. Eine vorteilhafte Mischung aus Steifigkeit und tribologischen Laufeigenschaften wird dabei bevorzugt mit einem Verbundmaterial erzielt. Vorteilhafterweise besteht das zweite Lager aus einem Stahlrücken mit aufgesinterter Bronze und einer Deckschicht aus Polyphenylensulfid. Der Stahlrücken mit aufgesinterter Bronze beinhaltet zum einen einen formstabilen, gut einpressbaren äußeren Stahlmantel und zum anderen einen deformierbaren Bronzekern, der sich etwaigen inhomogenen Belastungen besser anpassen kann als ein Stahlkern. Weiterhin ist auf der Bronzeschicht das Polyphenylensulfid für die Lauffläche des Gleitlagers gut applizierbar. Polyphenylensulfid besitzt sehr gute mechanische, thermische und chemische Eigenschaften und eignet sich daher besonders gut als Gleitfläche des zweiten Lagers.

In einer vorteilhaften Ausführung besitzt das erste Lager einen größeren

Innendurchmesser als das zweite Lager. Wird auf den Wellendurchmessern von erstem und zweitem Lager jeweils die Triebwelle zum Gehäuse abgedichtet, so entsteht dadurch eine resultierende hydraulische Kraft vom zweiten zum ersten Lager, weil der in der Axialkolbenmaschine auf die Triebwelle wirkende Druck größer ist als der Umgebungsdruck. Die resultierende hydraulische Kraft wirkt in Richtung der Federkraft und unterstützte somit die Vorspannung des als

Kegelrollenlager ausgebildeten ersten Lagers. In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist an der Triebwelle gehäuseendseitig ein Wellenende ausgebildet, wobei das zweite Lager an dem Wellenende angeordnet ist. Dadurch kann an diesem Wellenende das Gehäuse geschlossen ausgeführt werden. Somit entfällt hier eine Abdichtung zwischen Triebwelle und Gehäuse und zusätzlich steigt die vorteilhafte resultierende hydraulische Kraft auf die Triebwelle in Richtung des als Kegelrollenlager ausgeführten ersten

Lagers.

Vorteilhafterweise weist die Lagergleitfläche des Wellenendes eine Balligkeit auf. Dadurch werden die Lagereigenschaften bezüglich der Radiallagerung des als Gleitlager ausgeführten zweiten Lagers weiter verbessert. Die Balligkeit führt zu einer homogenen Kontaktpressungsverteilung und zur Vermeidung

unerwünschter Kantenträger. Die Balligkeit kann dabei entweder als elliptisches Profil oder mit einem konstanten Radius ausgeführt werden. In einer vorteilhaften Ausführung beträgt die Balligkeit der Lagergleitfläche 5 μηη bis 30 μηη, vorzugsweise 15 μηη. Eine Balligkeit von mindestens 5 μηη ist

erforderlich, um die Kantenträger der Kontaktpressungsverteilung wirksam zu reduzieren. Bei einer Balligkeit von mehr als 30 μηη steigt der maximale

Kontaktdruck in der Mitte der Lagergleitfläche zu stark an, so dass ab diesem

Wert die Balligkeit wieder nachteilig wird.

Zeichnungen

Fig.l zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine 100 im

Längsschnitt, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.

Fig.2 zeigt den mit II bezeichneten Ausschnitt der Fig.l eines

Ausführungsbeispiels.

Beschreibung Fig.l zeigt eine Axialkolbenmaschine 100 im Längsschnitt, mit einem Gehäuse

10, das aus einem ersten Gehäuseteil 10a und einem zweiten Gehäuseteil 10b besteht. Die beiden Gehäuseteile 10a und 10b sind durch eine Verschraubung 19 miteinander verspannt. Im Gehäuse 10 ist eine Triebwelle 20 rotierbar durch zwei Lager gelagert:

- ein erstes Lager 21, das als Kegelrollenlager ausgeführt ist und im ersten

Gehäuseteil 10a angeordnet ist und

- ein zweites Lager 22, das als Gleitlager ausgeführt ist und im zweiten Gehäuseteil 10b angeordnet ist. Das zweite Lager 22 ist an einem Wellenende 25 der Triebwelle 20 angeordnet und wirkt mit einer Lagerfläche 25a des Wellenendes 25 zusammen.

Ein erster Sicherungsring 26 fixiert den Innenring des als Kegelrollenlager ausgeführten ersten Lagers 21 gegen eine Schulter der Triebwelle 20. Das als Gleitlager ausgeführte zweite Lager 22 ist in das zweite Gehäuseteil 10b eingepresst. Ein zweiter Sicherungsring 24 ist in einer Nut des zweiten Gehäuseteils 10b angeordnet und fixiert zusätzlich zu der Pressverbindung das zweite Lager 22 in axialer Richtung gegen eine weitere Schulter des zweiten Gehäuseteils 10b. Mit der Triebwelle 20 ist eine Kolbentrommel 40 verbunden, beispielweise über eine

Zahnverbindung, so dass sich die Kolbentrommel 40 synchron mit der Triebwelle 20 dreht. Die Kolbentrommel 40 wirkt an einer Stirnfläche 41 in axialer Richtung mit dem zweiten Gehäuseteil 10b zusammen. Eine Feder 23 ist zwischen der Triebwelle 20 und der Kolbentrommel 40 vorgespannt. Dabei drückt die Feder 23 die Kolbentrommel 40 an die Stirnfläche 41 und die Triebwelle 30 in Richtung des ersten Lagers 21. Dadurch wird zum einen die Kolbentrommel 40 und zum anderen das erste Lager 21 vorgespannt.

Eine Schwenkwiege 30 ist um eine Drehachse 31, die senkrecht zur Triebwelle 20 steht, drehbar gelagert. Mit der Schwenkwiege 30 sind Verstellerkolben 33 durch je ein Kugelgelenk verbunden, wobei die Verstellerkolben 33 in im zweiten Gehäuseteil 10b angeordneten Verstellerzylindern 43 geführt sind. Vorteilhafterweise sind über den

Umfang der Triebwelle 20 verteilt zwei Verstellerkolben 33 gegenüberliegend

angeordnet. Durch einen Hub eines ersten Verstellerkolbens 33 wird die Schwenkwiege 30 um die Drehachse 31 verkippt, der zweite Verstellerkolben 33 führt dabei denselben Hub in entgegengesetzter Richtung aus. Im in der Fig.l dargestellten Zustand beträgt der Kippwinkel α mehr als 90°. Im Ruhezustand bzw. im Leerlauf ist der Kippwinkel α =

90°.

In der Kolbentrommel 40 sind parallel zur Triebwelle 20 Arbeitszylinder 45 ausgebildet, in denen sich Arbeitskolben 35 befinden. Je ein Arbeitszylinder 45 und ein Arbeitskolben 35 begrenzen einen Arbeitsraum 46. Die Arbeitszylinder 45 sind kreisförmig und

konzentrisch um die Triebwelle 20 angeordnet. Typischerweise beträgt die Anzahl der

Arbeitszylinder 45 sieben oder neun Arbeitszylinder 45, die gleichmäßig über den Umfang innerhalb der Kolbentrommel 40 verteilt sind. Zur besseren Veranschaulichung der Kolbenstellungen im unteren und oberen Totpunkt sind in der Fig.l jedoch eine gerade Anzahl von Arbeitszylindern 45 dargestellt, so dass sich im Längsschnitt der obere Arbeitskolben 35a im oberen Totpunkt befindet und der untere Arbeitskolben 35b im unteren Totpunkt.

Die Arbeitszylinder 45 werden hub- und funktionsabhängig abwechselnd sowohl mit einem Hochdruck H als auch mit einem Niederdruck N verbunden. Dazu sind im zweiten Gehäuseteil 10b Anschlüsse 18 ausgebildet, die mit Hochdruck H oder Niederdruck N verbunden sind. Bei Verwendung von Schaltvorrichtungen können die Anschlüsse 18 auch schaltbar mit Hochdruck H oder Niederdruck N verbunden werden, beispielsweise um zwischen Pumpen- und Motorbetrieb zu wechseln. In vielen Ausführungsformen von Axialkolbenmaschinen 100 werden alle Anschlüsse 18 der Arbeitszylinder 45 im zweiten Gehäuseteil 10b zu zwei Anschlüssen 18a und 18b zusammengefasst, wobei jeweils einer mit Hochdruck H und einer mit Niederdruck N verbunden ist.

An jedem Arbeitszylinder 45 ist ein Gleitschuh 36 mittels eines Kugelgelenks angeordnet. Die Gleitschuhe 36 liegen auf der Schwenkwiege 30 auf und werden durch eine nicht dargestellte Vorrichtung auf der Schwenkwiege 30 gehalten, so dass von der

Schwenkwiege 30 sowohl Zug- als auch Druckkräfte auf die Gleitschuhe 36 und damit auf die Arbeitskolben 35 übertragen werden können.

Antriebs- bzw. abbtriebsseitig - je nach Art des Betriebs, ob Pumpen- oder Motorbetrieb - ist die Triebwelle 20 außerhalb des Gehäuses 10 mit einem Triebrad 15, beispielsweise über eine Verzahnung verbunden. Im Falle eines Motorbetriebs wird damit ein

Drehmoment von der Triebwelle 20 auf das Triebrad 15 übertragen, das damit ein Abtriebsrad ist. Im Falle eines Pumpenbetriebs wird damit ein Drehmoment von dem Triebrad 15 auf die Triebwelle 20 übertragen, das somit als Antriebsrad dient. Die Aufgabe des Triebrades 15 ist die Drehmomentübertragung von oder auf die

Triebwelle 20. Je nach Art der Verbindung zur Triebwelle 20 können jedoch auch

Axialkräfte übertragen werden, beispielsweise bei einer Schrägverzahnung. Das als Gleitlager ausgeführte zweite Lager 22 kann keine Axialkräfte aufnehmen. Das als Kegelrollenlager ausgeführte erste Lager 21 kann Axialkräfte in Richtung vom zweiten Lager 22 zum ersten Lager 21 aufnehmen. Um Axialkräfte in Richtung vom ersten Lager

21 zum zweiten Lager 22 aufnehmen zu können, weist das Triebrad 15 eine Anlauffläche 15a auf, die gehäuseseitig entweder mit einer am Gehäuse 10 ausgebildeten

Anschlagfläche 12 auf der Gehäusestirnseite 11 zusammenwirkt oder - wie in Fig.l

dargestellt - mit einer Anschlagfläche 12, die auf einer auf der Gehäusestirnseite 11 angeordneten Stahlscheibe 13 ausgebildet ist.

Die Fig.2 zeigt den mit II bezeichneten Ausschnitt der Fig.l eines Ausführungsbeispiels, in dem das mit dem zweiten Lager 22 zusammenwirkende Wellenende 25 an seiner Lagerfläche 25a eine Balligkeit aufweist. Dazu ist der erste Durchmesser Di an beiden Rändern der Lagerfläche 25a kleiner als der zweite Durchmesser D ₂ in der Mitte der Lagerfläche 25a. Die Balligkeit wird über die Differenz der beiden Durchmesser Di und D ₂ definiert und beträgt vorzugsweise zwischen 5 μηη und 30 μηη. Dabei kann die

Balligkeit im Querschnitt betrachtet mit einem konstanten Radius ausgeführt werden, oder auch - analog zu Ausführungsformen von Zylinderrollenlagern - mit elliptischen

Querschnitten an den Lagerrändern, um eine möglichst homogene

Kontaktpressungsverteilung ohne Kantenträger über die gesamte Lagerlänge zu erzielen.

Die Funktionsweise der Axialkolbenmaschine 100 ist im Pumpenbetrieb wie folgt: Die Schwenkwiege 30 wird mittels der Verstellerkolben 33 auf einen Kippwinkel α verstellt, der größer als 90° ist, so dass der in der Fig.l obere Arbeitsraum 46a ein

vergleichsweise kleines Volumen hat und der in der Fig.l untere Arbeitsraum 46b ein vergleichsweise großes Volumen; der obere Arbeitskolben 35a befindet sich im oberen Totpunkt, der untere Arbeitskolben 35b im unteren Totpunkt, die restlichen über den Umfang verteilten Arbeitskolben 35 entsprechend in Zwischenstellungen. Gleichzeitig wird der in der Fig.l obere Anschluss 18a mit dem Hochdruck H verbunden und der untere Anschluss 18b mit dem Niederdruck N. Die Triebwelle 20 wird von dem Triebrad 15 angetrieben, in diesem Fall ist das Triebrad 15 also ein Antriebsrad. Arbeitsfluid wird vom unteren Arbeitskolben 35b in der unteren Totpunktstellung auf der Niederdruckseite N angesaugt und mittels der rotierenden Kolbentrommel 40 in die obere Totpunktstellung bewegt und dabei im sich verkleinernden Arbeitsraum 46 verdichtet, indem die

Gleitschuhe 36 auf einer Kreisbahn der Schwenkwiege 30 abgleiten und dabei die Arbeitskolben 35 auf ihrem Weg vom unteren zum oberen Totpunkt in die Arbeitszylinder 45 drücken. Im oberen Totpunkt werden die Arbeitsräume 46 mit dem

Hochdruckanschluss 18a hydraulisch verbunden, und so das Arbeitsfluid dem

Hochdruckbereich H zugeführt.

Zur Umstellung von Pumpen- auf Motorbetrieb wird entweder der Kippwinkel α von > 90° auf < 90° verstellt, oder Hochdruck- und Niederdruckanschluss 18a und 18b getauscht. Im Folgenden wird der Motorbetrieb kurz am Beispiel der getauschten Anschlüsse 18 erläutert: Der obere Anschluss 18a ist mit dem Niederdruck N verbunden und der untere

Anschluss 18b mit dem Hochdruck H. Der Kippwinkel α ist nach wie vor größer als 90°, so dass der obere Arbeitsraum 46a ein vergleichsweise kleines Volumen und der untere Arbeitsraum 46b ein vergleichsweise großes Volumen besitzt; der obere Arbeitskolben 35a befindet sich im oberen Totpunkt, der untere Arbeitskolben 35b im unteren Totpunkt. Arbeitskolben 35, die aufgrund der rotierenden Kolbentrommel 40 auf dem Weg vom oberen zum unteren Totpunkt sind, also sich aus den Arbeitszylindern 45 heraus bewegen, werden mit dem Hochdruck H verbunden. Die entsprechenden Arbeitsräume 46 expandieren, eine Hubbewegung der darin befindlichen Arbeitskolben 35 wird durch den anliegenden Hochdruck H erzeugt. Durch die Hubbewegung der Arbeitskolben 35 wird eine Rotation der Kolbentrommel 40 und der mit ihr verbundenen Triebwelle 20 angestoßen, so dass die Triebwelle 20 das Triebrad 15 antreiben kann. In diesem Fall ist das Triebrad 15 ein Abtriebsrad.

Im Bereich des unteren Totpunkts werden die Arbeitskolben 35 über nicht dargestellte Dämpfungseinrichtungen sukzessive mit dem Niederdruck N verbunden, so dass sich das Arbeitsfluid entspannen kann ohne dabei zu starke Druckpulsationen zu erzeugen.

Aufgrund des Arbeitsprinzips der Axialkolbenmaschine 100 bestimmen die Gestaltung von erstem Lager 21 und zweitem Lager 22 maßgeblich die Haltbarkeit und Effizienz der gesamten Axialkolbenmaschine 100. Die Vorteile der Kombination von Kegelrollenlager und Gleitlager werden nachfolgend aufgeführt:

Das Radial hoch belastbare Kegelrollenlager ist räumlich nahe am Triebrad 15 angeordnet und damit nahe an der Querkrafteinleitung bzw. Querkraftableitung.

Durch die Querkraft auf das Kegelrollenlager wird eine Axialkraft in Richtung des Gleitlagers erzeugt, die über die Feder 23 auf die Kolbentrommel 40 wirkt. Dies wirkt einem Abheben der Kolbentrommel 40 vom zweiten Gehäuseteil 10b bzw. der dazwischen liegenden Steuerscheibe entgegen. Die Leckage aus den Arbeitsräumen 46 wird so minimiert.

Das Gleitlager erzielt durch seine vergleichsweise große Schmierfläche gute

Schwingungs-, Stoß- und Geräuschdämpfungen.

Das Gleitlager kann durch die ballige Ausführung der Lagerfläche 25a des

Wellenendes 25 so ausgeführt werden, dass eine möglichst homogene

Kontaktpressungsverteilung vorliegt.

Hohe Axialkräfte in Richtung vom ersten Lager 21 zum zweiten Lager 22, die eine Festkörperreibung zwischen der Kolbentrommel 40 und dem zweiten Gehäuseteil 10b bzw. der dazwischen liegenden Steuerscheibe erzeugen würden, werden zwischen Antriebsrad 15 und der Anschlagfläche 12 der Gehäusestirnseite 11 übertragen. Die Kombination stellt eine kostengünstige Lösung dar, speziell wenn Serienkegelrollenlager verwendet werden.

Die Kombination von Kegelrollen- und Gleitlager erfordert jedoch eine zusätzliche axiale Lagerung in einer Richtung, die vorteilhafterweise durch den Kontakt zwischen der Anlauffläche 15a des Triebrads 15 und der auf der Gehäusestirnseite 11 angeordneten Anschlagfläche 12 gestaltet ist. Diese Gestaltung der Axiallagerung hat folgende Vorteile

- einfache Montage, keine Deformation eines Lagerbodens aufgrund von Einpressprozessen,

- einfache Wartung und Überprüfung der Lagergleitflächen (Anlauffläche 15a und Anschlagfläche 12), kostengünstige Lösung,

- großer Spielraum bei der Auswahl der Materialpaarung der Lagergleitflächen.