Hydraulische Axialkolbenmaschine

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Axialkolbenmaschine mit einem Gehäuse, in dem eine Zylindertrommel um eine Achse drehbar gelagert ist, die mindestens einen Zylinder aufweist, in dem ein Kolben angeordnet ist, der sich an einer Schrägscheibe abstützt, deren Neigungswinkel in einer Verstellebene verstellbar ist.

Eine derartige Axialkolbenmaschine ist beispielsweise aus DE 196 08 228 A1 bekannt. Die Schrägscheibe ist hier als Abschnitt eines Zylinders ausgebildet und liegt in einer entsprechend ausgebildeten Lagerschale. Die Schrägscheibe kann zur Verstellung des Neigungswinkels um eine Achse gekippt werden, die parallel zur Achse des Zylinders verläuft.

US 1 533 399 zeigt eine weitere Axialkolbenmaschine, bei der die Schrägscheibe ebenfalls durch einen Abschnitt eines Zylinders gebildet ist, der auf seiner Mantelfläche eine Schneckenrad-Verzahnung aufweist, die mit einer Schneckenwelle in Eingriff steht. Wenn die Schneckenwelle gedreht wird, dann wird die Neigung der Schrägscheibe geändert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufwand für die Herstel- lung einzelner Teile einer Axialkolbenmaschine klein zu halten.

Diese Aufgabe wird bei einer hydraulischen Axialkolbenmaschine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Schrägscheibe auf ihrer der Zylindertrommel abgewandten Seite eine sphärische Lagerfläche, die an einer sphärischen Stützfläche in einem Bodenteil des Gehäuses anliegt, und eine Kippsicherung aufweist, die einem Kippen der Schrägscheibe senkrecht zur Verstellebene entgegenwirkt.

Durch diese Ausbildung lässt sich sowohl die Schrägscheibe als auch das Bodenteil mit seiner Stützfläche durch Drehen herstellen. Hierzu wird ein Element, das später die Stützfläche bildet, einfach in eine Drehmaschine eingespannt und bearbeitet. Gleiches gilt für das Bodenteil. Der für die Herstellung der Schrägscheibe benötigte Rohling ist nur unwesentlich größer als die fertige Schrägscheibe, d.h. die Verluste an Material sind relativ gering. Eine sphärische Lagerfläche lässt sich in einer sphärischen Stützfläche allerdings in alle Richtungen verschwenken. Da eine änderung der relativen Ausrichtung zwischen der Schrägscheibe und dem Bodenteil des Gehäuses aber nur in eine Richtung gewünscht ist, ist die Kippsicherung vorgesehen, die ein Kippen in alle anderen Richtungen verhindert. Hierzu reicht es aus, wenn die Kippsicherung Kräfte aufnehmen kann, die senkrecht zur Verstellebene wirken.

Vorzugsweise weist die Schrägscheibe eine asymmetrische Ausbildung auf. Dies ist einfach dadurch zu erreichen, dass von der Schrägscheibe ein Segment entfernt wird oder die Schrägscheibe auf ihrer der Lagerfläche gegen-überliegenden Seite abgeschrägt wird. Die asymmetrische Ausbildung hat den Vorteil, dass man für die Schrägscheibe nicht wesent- lieh mehr Raum benötigt, als für die Verstellbarkeit unbedingt erforderlich ist.

Vorzugsweise ragt ein mit der Schrägscheibe verbundener Stift durch eine öffnung in der Stützfläche, die zumindest in der Verstellebene eine größe- re Erstreckung als der Stift aufweist. Der Stift kann dann zur Verstellung der Neigung der Schrägscheibe verwendet werden. Da er durch die Stützfläche hindurchragt, kann die Verstellung von einer Position aus erfolgen, an der keine anderen Elemente der Axialkolbenmaschine stören.

Vorzugsweise wirkt eine Stelleinrichtung auf den Stift. Zwar lässt sich die

Neigung der Schrägscheibe über den Stift auch manuell verstellen. Eine

größere Genauigkeit lässt sich aber vielfach dann erreichen, wenn man eine Stelleinrichtung verwendet.

Hierbei ist bevorzugt, dass die Stelleinrichtung mindestens eine Stell- schraube aufweist. Durch Verdrehen der Stellschraube ändert sich ihre Position in der Bodenplatte. Die Stellschraube wirkt auf den Stift. Durch die änderung der Position der Stellschraube ändert sich auch die winkelmäßige Ausrichtung des Stifts relativ zur Bodenplatte und damit die Neigung der Schrägscheibe.

Vorzugsweise weist die Stelleinrichtung zwei Stellschrauben auf, die von einander entgegengesetzten Seiten auf den Stift wirken. Damit lässt sich der Stift in zwei Richtungen festlegen, insbesondere zwischen den beiden Stellschrauben einspannen. Wenn die winkelmäßige Ausrichtung der Schrägscheibe, also der Neigungswinkel, eingestellt ist, dann kann man durch die beiden Stellschrauben diesen Zustand auf Dauer festlegen. Alternativ dazu lässt sich eine Verstellung mit nur einer Schraube erreichen, die dann in zwei Wirkrichtungen (Zug und Druck) auf den Stift wirkt.

Vorzugsweise bildet der Stift einen Teil einer Feststelleinrichtung. Man kann den Stift also nicht nur dazu verwenden, den Neigungswinkel der Schrägscheibe zu verändern, sondern auch dazu, den Neigungswinkel nach einer Veränderung festzuhalten.

Hierbei ist bevorzugt, dass der Stift in die Schrägscheibe eingeschraubt ist und einen Kopf aufweist, der am Bodenteil verspannbar ist. Wenn dann die Schrägscheibe den gewünschten Neigungswinkel eingenommen hat, wird der Stift etwas weiter in die Schrägscheibe eingeschraubt, so dass sich der Kopf mit dem Bodenteil verspannt. Dabei ist es durchaus möglich, dass zwischen dem Kopf und dem Bodenteil noch Hilfselemente angeordnet sind, beispielsweise eine Unterlegscheibe oder eine Stützanordnung,

die ihrerseits wiederum eine Paarung aus sphärischen Flächen aufweist, die gegeneinander verschiebbar sind.

Vorzugsweise ist die öffnung von einer Dichtung umgeben, die zwischen der Lagerfläche und der Stützfläche angeordnet ist. Die Dichtung verhindert dann ein Vordringen von Hydraulikflüssigkeit zur öffnung und stellt damit die Dichtigkeit der Maschine in diesem Bereich sicher.

Vorzugsweise weist die Kippsicherung mindestens eine Nut auf, die in ei- nem der Teile Lagerfläche und Stützfläche angeordnet ist und in der mindestens ein Führungsstift geführt ist, der in dem anderen der Teile Lagerfläche und Stützfläche angeordnet ist. Durch das Zusammenwirken von Nut und Führungsstift wird sichergestellt, dass sich die Schrägscheibe relativ zum Bodenteil des Gehäuses nur in einer Ebene verändern kann. Andere Veränderungen, auch Rotationsbewegungen der Schrägscheibe gegenüber dem Bodenteil, sind nicht möglich.

Vorzugsweise ist der Führungsstift mit dem ihm zugeordneten Teil fest verbunden. Dies erleichtert die Montage. Der Führungsstift kann bei- spielsweise mit der Schrägscheibe verklebt oder verpresst sein.

Vorzugsweise ist die Nut entlang der Verstellebene in mindestens zwei Abschnitte unterteilt. Damit ist zum Einen gewährleistet, dass die Stützfläche oder die Lagerfläche so groß wie möglich bleibt. Zum Anderen kann man die Abschnitte der Nut auch als Kippwinkelbegrenzung verwenden, so dass ein zu starkes Kippen der Schrägscheibe vermieden wird. Wenn dies nicht erforderlich ist, kann die Nut auch durchgehend ausgebildet sein.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:

Fig. 1 eine hydraulische Axiaikolbenmaschine im Schnitt,

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1 ,

Fig. 3 eine abgewandelte Ausführungsform einer Schrägscheiben-

Bodenteil-Anordnung in perspektivischer Darstellung und

Fig. 4 die Anordnung nach Fig. 3 aus einem anderen Blickwinkel.

Fig. 1 zeigt eine hydraulische Axiaikolbenmaschine 1 mit einem Gehäuse 2, das ein Bodenteil 3 aufweist. Im Gehäuse 2 ist eine Zylindertrommel 4 drehbar gelagert. Die Drehung erfolgt dabei um eine Achse 5, die gleichzeitig die Achse einer Welle 6 ist, die drehfest mit der Zylindertrommel 4 verbunden ist.

In der Zylindertrommel sind mehrere Zylinder 7 angeordnet, wobei die nicht näher dargestellten Achsen der Zylinder 7 exzentrisch zur Achse 5 angeordnet sind. Vorzugsweise liegen die Achsen der Zylinder 7 auf einem Kreis um die Achse 5.

Die Zylinder 7 werden über eine Ventilplatte 8, an der die Zylindertrommel 4 unter Zwischenlage von Kontaktschuhen 9 anliegt, mit Hydraulikflüssigkeit unter Druck versorgt bzw. drucklose Flüssigkeit wird aus den Zylindern 7 herausgefördert, wenn die Axiaikolbenmaschine 1 als Motor arbei- tet. Wenn die Axiaikolbenmaschine als Pumpe arbeitet, dann gelangt durch die Ventilplatte 8 Flüssigkeit unter Druck aus den Zylindern 7 in die Ventilplatte 8 und durch die Ventilplatte 8 wird Flüssigkeit angesaugt, je nachdem, in welcher Drehwinkellage sich die Zylindertrommel 4 befindet.

Der in Fig. 1 dargestellte Schnitt teilt die Ventilplatte 8 in zwei Hälften, von denen jede eine Steuerniere aufweist. Diese sind daher in der vorliegenden Schnittansicht nicht erkennbar.

In jedem Zylinder 7 ist ein Kolben 10 angeordnet, der sich über einen Gleitschuh 11 an einer Schrägscheibe 12 abstützt. Die Gleitschuhe 11 werden durch einen Niederhalter 13 in Anlage an der Schrägscheibe 12, genauer gesagt an einer Steuerfläche 14 der Schrägscheibe 12, gehalten. Wenn sich die Zylindertrommel 4 dreht, dann werden die Kolben 10 durch die Steuerfläche 14 und den Niederhalter 13 axial relativ zur Zylindertrommel 4 bewegt. Ein derartiger Aufbau einer Axialkolbenmaschine 1 ist im Prinzip bekannt.

Die Schrägscheibe 12 weist auf ihrer der Zylindertrommel 4 zugewandten Seite die ebene Steuerfläche 14 auf, an der die Gleitschuhe 11 anliegen, und auf der der Zylindertrommel 4 abgewandten Seite eine sphärische Lagerfläche 15, die in einer ebenfalls sphärischen Stützfläche 16 am Bo- denteil 3 anliegt. Die Radien von Lagerfläche 15 und Stützfläche 16 sind aufeinander abgestimmt, so dass sich eine flächige Anlage der Lagerfläche 15 an der Stützfläche 16 ergibt. Sowohl die Lagerfläche 15 als auch die Stützfläche 16 können durch Drehen hergestellt werden, was ein relativ einfacher Herstellungsvorgang ist.

Die Schrägscheibe 12 ist, wie insbesondere aus Fig. 2 zu erkennen ist, asymmetrisch ausgebildet, d.h. am unteren Ende (die Richtungsangabe bezieht sich auf die Darstellung der Fig. 2) fehlt ein Teil 17. In diesem Bereich kann die Schrägscheibe 12 in ihrer anderen Extremposition hinein geschwenkt werden.

In die Schrägscheibe 12 ist ein Stift 18 eingeschraubt. Der Stift 18 ragt durch eine öffnung 19 in der Stützfläche 16, so dass er nach außen über das Bodenteil 3 hinaus vorsteht. Der Stift 18 weist einen Kopf 20 auf, der eine Drehmomentangriffsfläche 21 aufweist, beispielsweise einen Innen- sechskant. Die öffnung 19 ist als Langloch ausgebildet, hat also in eine Richtung eine Erstreckung, die größer ist als der Durchmesser des Stifts

18. Senkrecht dazu entspricht die Erstreckung der öffnung 19 dem Durchmesser des Stifts 18. Der Stift 18 lässt also ein Verschwenken der Schrägscheibe 12 gegenüber dem Bodenteil 3 nur in eine Richtung zu.

Der Kopf 20 wirkt auf eine Stützscheibe 22, die eine ebene erste Fläche 23 und eine sphärische zweite Fläche 24 aufweist, wobei die sphärische Fläche 24 mit einer Lagerschale 25 zusammenwirkt, die eine entsprechende sphärische Fläche auf der der Stützscheibe 22 zugewandten Seite und eine ebene Fläche auf der dem Bodenteil 3 zugewandten Seite auf- weist. Dementsprechend ist es möglich, durch ein Einschrauben des Stiftes 18 in die Stützscheibe 12 die Stützscheibe 12 gegenüber dem Bodenteil 3 zu verspannen und dadurch eine einmal eingestellte Neigung oder Winkelposition festzuhalten.

Der Stift 18 wirkt gleichzeitig als Verstellelement für den Neigungswinkel der Schrägscheibe 12. In das Bodenteil 3 sind voneinander entgegengesetzten Seiten Stellschrauben 26, 27 eingeschraubt, die über Stellstifte 28, 29 auf den Stift 18 wirken. Es ist aber auch möglich, dass die Stellschrauben 26, 27 unmittelbar auf den Stift 18 wirken. Wenn beispielsweise die Stellschraube 26 etwas aus dem Bodenteil 3 herausgeschraubt und die Stellschraube 27 etwas in das Bodenteil 3 hineingeschraubt wird, dann wird der Stift 18 etwas nach unten geschwenkt und ändert damit den Neigungswinkel der Steuerfläche 14 der Schrägscheibe 12 gegenüber der Achse 5.

Zwischen der Lagerfläche 15 und der Stützfläche 16 ist eine Dichtung 30 angeordnet, die die öffnung 19 umgibt und verhindert, dass Flüssigkeit aus dem Inneren der Axialkolbenmaschine 1 durch die öffnung 19 nach außen gelangt.

Die Ausbildung der Stützscheibe 12 mit einer sphärischen Lagerfläche 15, die in einer ebenfalls sphärischen Stützfläche 16 abgestützt ist, ermöglicht

prinzipiell eine Neigung der Stützscheibe 12 in alle Richtungen. Auch eine Rotationsbewegung der Stützscheibe 12 beispielsweise um die Achse 5 wäre möglich. Man möchte aber dafür sorgen, dass sich die Stützscheibe 12 nur in einer Verstellebene bewegen kann. Die Verstellebene entspricht in der Darstellung der Fig. 1 und 2 der Zeichenebene. Die Steuerfläche 14 verläuft senkrecht zur Zeichenebene und damit senkrecht zur Verstellebene. Die Neigung der Schrägscheibe 12 und damit der Steuerfläche 14 soll nur parallel zur Zeichenebene, d.h. parallel zur Verstellebene, verändert werden können.

Hierzu weist die Schrägscheibe 12 zwei Führungsstifte 31 , 32 auf, die durch die Lagerfläche 15 geführt sind und mit der Schrägscheibe 12 verbunden sind. Die Führungsstifte 31 , 32 können beispielsweise in die Schrägscheibe 12 eingepresst sein oder eingeklebt oder auf andere Wei- se dort fixiert sein. Die Führungsstifte 31 , 32 sind in Nuten 33, 34 geführt.

Die Nuten 33, 34 weisen eine Breite auf, die der Breite der Führungsstifte 31 , 32 entspricht. Die Führungsstifte 31 , 32 füllen also in einer Richtung senkrecht zur Verstellebene, d.h. senkrecht zur Zeichenebene, die Nuten 33, 34 aus. Entlang der Verstellebene haben die Nuten 33, 34 hingegen eine Erstreckung, die größer ist als die entsprechende Erstreckung der Führungsstifte 31 , 32. Dementsprechend stellen die Führungsstifte 31 , 32 in Verbindung mit den Nuten 33, 34 sicher, dass sich die Neigung der Schrägscheibe 12 gegenüber der Achse 5 in der Verstellebene ändern kann, eine andere Bewegung der Schrägscheibe 12 aber ausgeschlossen wird. Insbesondere wird ein Kippen der Schrägscheibe 12 senkrecht zur Verstellebene verhindert.

Natürlich ist es auch möglich, die Führungsstifte 31 , 32 im Bodenteil 3 und die Nuten 33, 34 in der Lagerfläche 15 anzuordnen.

Die oben erwähnten Steuernieren haben unterschiedliche Drücke, die wiederum versuchen, die Schrägscheibe 12 zu kippen. Dies wird durch die Stifte 31 , 32, die mit den Nuten 33, 34 zusammenwirken und sich dort an den seitlichen Flanken abstützen können, verhindert.

Die Schrägscheibe 12 ist in Fig. 1 in ihrer einen Extremposition und in Fig. 2 in ihrer anderen Extremposition dargestellt. Die Extrempositionen, d.h. die maximal bzw. minimal möglichen Neigungswinkel, ergeben sich daraus, dass die Führungsstifte 31 , 32 an stirnseitige Begrenzungen der Nu- ten 33, 34 anstoßen.

Die Fig. 3 und 4 zeigen in perspektivischer Explosionsdarstellung eine abgewandelte Ausführungsform von Schrägscheibe 12 und Bodenteil 3, wobei einander entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 1 und 2 versehen sind.

In Fig. 3 ist zunächst zu erkennen, dass die öffnung 19 als Langloch ausgebildet ist, so dass der Stift 18 hier eine gewisse Bewegungsmöglichkeit hat. Die Stützscheibe 22 kann unmittelbar in die öffnung 19 eingesetzt werden. Sie steht mit einem Teil ihres Umfangs dann über die öffnung 19 seitlich über.

Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass die Nuten 33, 34 in der Stützfläche 16 zusammenhängend ausgebildet sind. Sie bilden also eine ge- meinsame Nut.

Die asymmetrische Ausbildung der Schrägscheibe 12 ist hier auf andere Weise realisiert. Man verwendet einen zylinderförmigen Rohling, der an seiner Stirnseite die sphärische Lagerfläche 15 erhält. Die gegenüberlie- gende Stirnseite des Rohlings wird dann abgeschrägt, um die Steuerfläche 14 zu bilden.

Auch hier bilden die Führungsstifte 31 , 32 zusammen mit der Nut 33, 34 eine Kippsicherung, so dass die Schrägscheibe 12 gegenüber dem Bodenteil 3 nur in eine Richtung bewegbar ist, nämlich in die Richtung, in der die Führungsstifte 31 , 32 in der Nut 33, 34 gleiten können.

In vielen Fällen muss der Neigungswinkel der Schrägscheibe 12 nur in einem kleinen Bereich variiert werden, beispielsweise um + 3°. Mit der Veränderung des Neigungswinkels kann die Verdrängung der Axialkolbenmaschine 1 verändert werden.

Bei den bisher vorgestellten Ausbildungen ist nicht vorgesehen, dass der Neigungswinkel der Schrägscheibe 12 fortlaufend verändert wird. Vielmehr wird man bei diesen Ausgestaltungen einen Neigungswinkel fest vorgeben und dann nur bei Bedarf von Zeit zu Zeit verstellen.

Es ist aber auch möglich, den Neigungswinkel der Schrägscheibe 12 im Betrieb zu verändern, beispielsweise dann, wenn man die Stellschrauben 26, 27 motorisch betätigt oder den Stift 18 auf andere Weise durch einen Antrieb verlagert, beispielsweise einen kleinen elek-trischen, hydrauli- sehen oder pneumatischen Motor. Die änderung der Verdrängung, also die Veränderung der Neigung der Schrägscheibe 12, kann dann aufgrund von vielen Parametern gesteuert werden. Wenn die Axialkolbenmaschine 1 als Pumpe in einem Umkehrosmosesystem verwendet wird, können derartige Parameter beispielsweise Temperatur oder Salzgehalt des Was- sers sein.

Die Führung der Schrägscheibe 12 im Bodenteil 3 mit Hilfe der Führungsstifte 31 , 32 und den Nuten 33, 34 hat den Vorteil, dass man auch bei einer Verstellung im laufenden Betrieb nur wenig Kraft benötigt, um den Neigungswinkel der Schrägscheibe 12 zu ändern. Der Grund hierfür ist, dass der Druck von dem Kolben relativ gleichmäßig in beide Kipprichtungen wirkt. Die Stelleinrichtung muss im Prinzip nur Reibungskräfte über-

winden, die zwischen der Lagerfläche 15 und der Stützfläche 16 einerseits sowie zwischen den Führungsstiften 31 , 32 und den Seitenwänden der Nuten 33, 34 auftreten. Somit könnte man für die Verstellung des Neigungswinkels der Schrägscheibe 12 auch einen Motor verwenden, bei dem ein relativ kleines Drehmoment ausreicht.