HAGER CORINNA (DE)
SIES STEFFEN (DE)
ILLMANN ANDREAS (DE)
GAUMNITZ MICHAEL (DE)
BELLMANN LUTZ (DE)
WO2003058035A1 | 2003-07-17 | |||
WO2004055369A1 | 2004-07-01 |
DE2116210A1 | 1971-10-21 | |||
DE2107653A1 | 1971-09-02 | |||
US2146133A | 1939-02-07 | |||
GB2022189A | 1979-12-12 | |||
DE102007011441A1 | 2008-09-11 | |||
US3722372A | 1973-03-27 | |||
US2146133A | 1939-02-07 |
Patentansprüche 1 . Hydrostatische Axialkolbenmaschine mit einem Gehäuse (59, 51 ; 1 ), mit einer Triebwelle (35; 24), auf der eine Flanschscheibe (34; 4) drehfest angeordnet ist, mit einer drehbaren Rotorscheibe (36; 10), die so angeordnet oder einstellbar ist, dass ihre Drehachse schräg zur Achse der Triebwelle (35; 24) verläuft und die von der Triebwelle (35; 24) oder der Flanschscheibe (34; 4) mitnehmbar ist, und mit mehreren zwischen der Flanschscheibe (34; 4) und der Rotorscheibe (36; 10) und um die Achse der Triebwelle (35; 24) verteilt angeordneten Verdrängereinheiten, die jeweils eine Zylinderhülse (31 ; 18) sowie einen in die Zylinderhülse hineinragenden Kolben (33) und einen in die Zylinderhülse hineinragenden kugeligen Gelenkkopf (32) umfassen, wobei während des Betriebs die Kolben einen Hub relativ zu den Zylinderhülsen ausführen, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Gelenkköpfe (32) an der Flanschscheibe (34; 4) befinden und die Kolben (33) mechanisch mit der Rotorscheibe (36; 10) verbunden sind. 2. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorscheibe (36) über mindestens einen Schlitz und einen in den Schlitz eingreifenden Vorsprung von der Triebwelle (35) oder der Flanschscheibe (34) mitgenommen wird. 3. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorscheibe (10) über eine Kardanwelle (26) von der Trieb- welle (24) oder der Flanschscheibe (4) mitgenommen wird. 4. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach einem vorhergehenden Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorscheibe (10) über eine am Gehäuse (1 ) abgestützte Verstelllinse (28) verschwenkbar ist. 5. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach einem vorhergehenden Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenkköpfe (32) hohl sind 6. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass über den jeweiligen Gelenkkopf (32)) und über eine jeweilige Durchgangsausnehmung (2; 53) der Flanschscheibe (4; 34) Druckmittel einer Zylin- derhülse (18; 31 ) zuführbar und von einer Zylinderhülse (18; 31 ) abführbar ist. 7. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach einem vorhergehenden Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben (33) mit einem Kugelkopf (16) dichtend in die Zylinderhülsen (18; 31 ) hineinragen. 8. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Kugelkopf (16) der Kolben ( 33) hohl ist. 9. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach einem vorhergehenden Patentan- spruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben (33) Hohlkolben sind und dass über die Kolben (33), die Rotorscheibe (10; 36) und über eine die Rotorscheibe (10; 36) tragende Schrägscheibe (38) oder Verstelllinse (28) Druckmittel den Zylinderhülsen (18) zuführbar und aus den Zylinderhülsen (18) abführbar ist. 10. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben (33) ein zylindrisches Hubteil (70), das dicht gleitend an der Zylinderhülse (31 ) geführt ist, und ein Basisteil (71 ) umfassen, das an der Rotorscheibe (36) befestigt und mit dem Hubteil (70) über ein Kugelgelenk verbunden ist. 1 1 . Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Hubteil (70) innen in der Zylinderhülse (31 ) geführt ist. 12. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Patentanspruch 10 oder 1 1 , da- durch gekennzeichnet, dass sich das Kugelgelenk zwischen dem Hubteil (70) und dem Basisteil (71 ) eines Kolbens (33) axial vor einer Zylinderhülse (31 ) befindet. 13. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Patentanspruch 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich das Kugelgelenk zwischen dem Hubteil (70) und dem Basisteil (71 ) eines Kolbens (33) innerhalb einer Zylinderhülse (31 ) befindet. 14. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Patentanspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Kugelgelenk zwischen dem Hubteil (70) und dem Basisteil (71 ) eines Kolbens (33) innerhalb einer Zylinderhülse (31 ) innerhalb der Führungslänge zwischen Zylinderhülse (31 ) und Hubteil (70) befindet. 15. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach einem vorhergehenden Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenkköpfe (32) als konkave oder konvexe Gelenkkalotte (80, 82) ausgebildet sind, an der eine Zylinderhülse (31 ) mit einer Stirnseite aufliegt. 16. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Patentanspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderhülsen (31 ) an den Gelenkkalotten (80, 82) kraftschlüssig insbesondere unter Beaufschlagung mit der Kraft einer Feder (87) anliegen. 17. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Patentanspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderhülsen (31 ) außen einen ringförmigen Bund (84) aufweisen und dass eine Andruckplatte (85) mit jeweils einer kalottenförmigen Ausnehmung (86) für die Aufnahme des Bundes (84) und Niederhalten einer Zylinderhülse (31 ) auf der Gelenkkalotte (80) vorhanden ist. 18. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Patentanspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Andruckplatte (85) von einer Feder (87) beaufschlagt ist, die sich an der Triebwelle (35) abstützt. 19. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach einem vorhergehenden Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenkköpfe (32) in einer kalottenartigen Aufnahme der Zylinderhülsen (31 ) allseitig schwenkbar gelagert sind. |
Beschreibung
Bei dem Konstruktionsprinzip„Schrägscheibe" einer hydrostatischen Axialkolbenma- schine herkömmlicher Art treten prinzipbedingt große Querkräfte am Arbeitskolben auf, die zum Verklemmen, beziehungsweise großer Reibung der Kolben in den Kolbenbohrungen führen. Das wirkt sich in der Anwendung als Hydromotor insbesondere beim Anfahren aus dem Stillstand negativ aus, weil zunächst die inneren Losbrechkräfte überwunden werden müssen. Wird eine Schrägscheibenmaschine als Hydromotor zum Beispiel in einem Fahrzeug eingesetzt, muss das zum Anfahren notwendige Drehmoment durch den Hydromotor aufgebracht werden. Zusätzlich muss im Moment des Anfahrens die innere Reibung (Losbrechmoment) überwunden werden. Das zum Anfahren notwendige Verdrängungsvolumen des Motors vergrößert sich also um das zum Losbrechen der inneren Reibung notwendige Verdrän- gungsvolumen. Dadurch baut ein solcher Motor um den Anteil des Verdrängungsvolumens größer, der allein zum Losbrechen benötigt wird. Bei Schrägscheibenmaschinen beträgt dieser Anteil zum Losbrechen circa 30 bis 40% des Verdrängungsvolumens. Um diesen Anteil muss ein Schrägscheibenmotor größer bauen, als zum eigentlichen Anfahren notwendig wäre.
Das Konstruktionsprinzip„Schrägachse" einer Axialkolbenmaschine herkömmlicher Art weist prinzipbedingt ein gutes Anfahrverhalten auf, weil nur geringe Querkräfte zwischen Arbeitskolben und Kolbenbohrung auftreten. Deshalb wird in der Regel dieses Prinzip als Hydromotor eingesetzt. Bei den bekannten Konstruktionen wird der Kolbenraum mittels Kolbenringen gegen Leckage abgedichtet. Das führt im Betrieb zu relativ großen Reibkräften zwischen Kolben/Kolbenring und Kolbenbohrung. Die Folge ist, dass der Bereich kleiner Schwenkwinkel des Hydromotors nicht nutz- bar ist, weil diese Reibkräfte zu einer Reduzierung des nutzbaren Drehmoments führen. Die Folge ist ein eingeschränkter Wandlungsbereich des Hydromotors. (Der Bereich kleiner Schwenkwinkel ist nicht nutzbar: circa kleiner 5°). Ein weiterer Nachteil der bekannten Schrägachsen-Konstruktionen mit Schwenkschlitten ist, dass deren maximaler Schwenkwinkel auf ca. 30° beschränkt ist. Grund dafür sind die Kraftverhältnisse am Schwenkschlitten. Bei Schwenkwinkeln größer 30° wird die abhebende Kraft der hydrostatischen Entlastung zwischen dem
Schwenkschlitten und der Zylindertrommel größer als die anpressende Kraft der Zy- lindertrommel und das Triebwerk würde abheben. Sollen größere Schwenkwinkel als 30° realisiert werden, muss deshalb die bekannte Schwenkjoch-Konstruktion eingesetzt werden. Diese Konstruktion baut jedoch sehr groß/schwer und ist deshalb für viele Antriebsaufgaben (insbes. im Mobilbereich) unbrauchbar. Diese beiden oben genannten Nachteile führen dazu, dass die Schrägachsen-Konstruktion mit
Schwenkschlitten heute ausschließlich als verstellbarer Hydromotor im EinQuadranten-Betrieb eingesetzt wird. Das heißt, der Motor kann aus der Position „Null-Schwenkwinkel" nur nach einer Seite in„maximaler Schwenkwinkel" ausgestellt werden. Theoretisch ließe sich auch eine Zwei-Quadranten-Maschine mit Schwenkschlitten darstellen. Der Wandlungsbereich würde sich jedoch dann auf 15° je Quad- rant, abzüglich des nicht nutzbaren Schwenkwinkels von ca. 5° (wegen oben genannter Reibung), also auf circa 10° reduzieren. Der Hydromotor würde aufgrund diese kleinen nutzbaren Schwenkwinkels sehr groß bauen und wäre dadurch in vielen Anwendungen insbesondere im Mobilbereich (Bagger, Radlader usw.) nicht einsetzbar. Für den hydrostatischen Fahrantrieb bedeutet das derzeit, dass die verfüg- baren Hydromotoren im geschlossenen Kreis betrieben werden. Die Umkehr der Fahrtrichtung erfolgt durch Durchschwenken der Pumpe.
Ein weiterer Nachteil der Schrägachsen-Konstruktion ist, dass aufgrund der genannten Gründe die Antriebswelle nur, wenn man den Schwenkwinkel auf maximal 15° beschränkt, durch das Triebwerk hindurchgeführt werden kann. Damit ist diese Maschine nicht durchtriebsfähig. Es ist keine Mehrfachanordnung möglich. Wird das Konstruktionsprinzip Schrägachse als Pumpe eingesetzt, ist eine Mehrfachanord- nung oder der Anbau einer zusätzlichen Speisepumpe oder sonstigen Hilfspumpe nicht möglich. Es wird immer ein zusätzlicher Abtrieb für eine weitere Pumpe benötigt. Der wesentliche Nachteil der aus der WO 2003/058035 A1 bekannten Floating-Cup- Konstruktion oder der aus der DE 10 2007 01 1 441 A1 bekannten Tilting-Cup- Konstruktion besteht in der prinzipbedingten Beschränkung des maximalen
Schwenkwinkels auf maximal circa 10°. Dadurch baut die Maschine gegenüber Maschinen, die einen größeren Schwenkwinkel gestatten, relativ groß. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Kommutierung der Verdränger durch die Schwenkwiege erfolgen muss, da der Kolbenhals eine Kommutierung aus Platzgründen nicht zulässt. Außerdem bereitet das Fixieren der Cups bei größeren Drehzahlen Schwierigkeiten. Die Cups neigen zum Abheben. Darüber hinaus können die Cups nicht zu 100% hydrostatisch entlastet werden, da sonst abheben droht. Das heißt, dass an dieser Stelle prinzipbedingt eine größere Reibung herrscht, als bei 100%-iger Entlastung.
Aus dem Stand der Technik sind Axialkolbenmaschinen in Schrägachsenbauweise bekannt, bei denen eine Mehrzahl von Zylindern in einer Zylindertrommel gebildet ist. Die Zylindertrommel ist schräg zu einer Welle (bei Motoren zur Abtriebswelle und bei Pumpen zur Antriebswelle) und zu einer Scheibe der Welle angestellt. In jedem Zylinder ist ein Kolben geführt, der über einen Kolbenfuß schwenkbar an die Scheibe gekoppelt ist. Im Betrieb der Maschine drehen sich die Welle mit der Scheibe und die dazu angestellte Zylindertrommel, so dass die Kolben mit umlaufen und bei jedem Umlauf einen Gesamthub (Hub in eine Richtung und Hub in Gegenrichtung) ausführen.
Aus dem Stand der Technik sind weiterhin Axialkolbenmaschinen in Schrägachsenbauweise bekannt, bei denen die Zylinder als einzelne Zylinderrohre beziehungswei- se Zylinderhülsen gebildet sind. Die Druckschrift US 3,722,372 zeigt eine derartige Axialkolbenmaschine mit einzelnen Zylinderrohren. Diese sind einseitig über Kugelabschnitte gestülpt und teleskopartig in ihrer Länge veränderbar. Über die Längenänderung der Zylinderrohre ändert sich ihr Volumen während ihres Umlaufs. Nachteilig ist, dass das Förder- bezie- hungsweise Verdrängervolumen der Axialkolbenmaschine konstant ist.
Die Druckschrift US 2,146,133 zeigt eine verstellbare Axialkolbenmaschine mit einzelnen Zylinderrohren. Diese sind ebenfalls teleskopartig in ihrer Länge veränderbar und beidseitig über jeweilige Kugelabschnitte gestülpt.
Der Erfindung liegt die Zielsetzung zugrunde, ein hydrostatische Axialkolbenmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff den Wirkungsgrad über den gesamten Betriebsbereich zu verbessern und dadurch den bisherigen Wandlungsbereich zu vergrößern und insbesondere im Betrieb oder in der Verwendung als Hydromotor hinsichtlich des Anlaufverhaltens zu verbessern. Die Konstruktion soll vom Prinzip her geeignet sein, die Maschine im Zwei-Quadranten-Betrieb (vorwärts und rückwärts Fahren eines Fahrzeugs durch Durchschwenken eines Hydromotors) zu betreiben, die Maschine im offenen Kreislauf zu betreiben und eine
Durchtriebsmöglichkeit zu bieten
Das angestrebte Ziel wird erreicht mit einer hydrostatischen Axialkolbenmaschine in Schrägscheiben- oder Schrägachsenbauweise, die eine Triebwelle, auf der eine Flanschscheibe drehfest befestigt ist, eine drehbare Rotorscheibe, die so angeordnet oder einstellbar ist, dass ihre Drehachse schräg zur Achse der Triebwelle verläuft und die von der Triebwelle oder die Flanscheibe mitnehmbar ist, und mit mehrere zwischen der Flanschscheibe und der Rotorscheibe und um die Achse der Triebwelle verteilt angeordnete Verdrängereinheiten aufweist, die jeweils eine Zylinderhülse sowie einen in die Zylinderhülse hineinragenden Kolben und einen in die Zylinderhülse hineinragenden kugeligen Gelenkkopf mit einem kugeligen Endabschnitt (Kugelkopf) umfassen, und bei der erfindungsgemäß sich die Gelenkköpfe an der Flanschscheibe befinden und die Kolben mechanisch mit der Rotorscheibe verbunden sind. Während des Betriebs tauchen die Kolben mehr oder weniger weit in die Zylinderhülsen ein, während die Gelenkköpfe und die Zylinderhülsen lediglich gegeneinander verschwenkt werden. Die Achse eines Kolbens und die durch die Mittelpunkte der Kugelköpfe der Kolben und der Gelenkköpfe gehenden Achse der zugehörigen Zylinderhülse schneiden sich nur unter kleinen Winkeln, Kolben und Zylinderhülse sind also hinsichtlich ihrer Achsen nahezu zueinander ausgerichtet, so dass die Kolben mit einem großen Durchmesser ausgebildet sein können.
Bei den aus der WO 2004/055369 A1 oder aus der DE 10 2007 01 1 441 A1 bekannten hydrostatischen Axialkolbenmaschinen, bei denen die Verdrängereinheiten auch schon Zylinderhülsen aufweisen, in die jeweils ein sich während des Betriebs längs einer Zylinderhülse bewegender Kolben und ein Gelenkkopf eintauchen, wird das Drehmoment an den Kolben erzeugt (Motorbetrieb betrachtet), die auch den Hub in den Zylinderhülsen ausführen. Dies hat insbesondere auch den Nachteil, dass die Kolben an ihrem Fuß im Vergleich zu dem Durchmesser an ihrem Kopf nur einen kleinen Durchmesser haben, da am Fuß Platz für die zu den Kolben mehr oder weniger schräg stehenden Zylinderhülsen frei sein muss. Die Kolben sind dadurch geschwächt. Demgegenüber wird bei einer erfindungsgemäßen hydrostatischen Axialkolbenmaschine das Drehmoment am Gelenkkopf erzeugt, während der Kolben den Hub macht.
Vorteilhafte Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen hydrostatischen Axialkolbenmaschine kann man den Unteransprüchen entnehmen.
Bei einer bevorzugten Ausführung einer hydrostatischen Axialkolbenmaschine wird die Rotorscheibe über mindestens einen Schlitz und einen in den Schlitz eingreifenden Vorsprung von der Triebwelle oder der Flanschscheibe mitgenommen. Eine derartige Axialkolbenmaschine ähnelt dem Anschein nach einer Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise. Die Triebwelle kann durch die Rotorscheibe hindurchgehen, so dass sie beidseitig gelagert sein kann und ein Durchtrieb möglich ist.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführung wird die Rotorscheibe über eine Kardanwelle von der Triebwelle oder der Flanschscheibe mitgenommen. Eine derartige Aus- führung einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine ähnelt eher einer Axialkol- benmaschine in Schrägachsenbauweise.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist ein Winkel der Rotorscheibe über eine im Gehäuse verschwenkbare Verstelllinse einstellbar. Dabei ist ein Durchschwenken der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine möglich, was bei einer Schrägachsenkonstruktion herkömmlicher Art nur mit Jochbauweise zu realisieren ist. Da auch ein Drehrichtungswechsel der Triebwelle und ein Wechsel der Hochdruckseite und Niederdruckseite erfolgen können, ist ein Vier-Quadranten-Betrieb im offenen und im geschlossenen Kreis ermöglicht.
Die Gelenkköpfe und die Zylinderhülsen können über Sprengringe, über Rollierungen oder über Kunststoffeinsätze aneinander gehalten sein. Vorzugsweise sind Gelenkköpfe und/oder die Kolben zumindest in ihren kugeligen Endabschnitten, mit denen die Gelenkköpfe und die Kolben in die Zylinderhülsen hineinragen, hohl. Es kann also Druckmittel unter Arbeitsdruck auch in entsprechende mit den jeweiligen Arbeitsräumen verbundene Hohlräume der Gelenkköpfe und Kolben eindringen. Damit ergibt sich eine Aufweitung der Endabschnitte, was zu ei- nem Ausgleich eines Ringspalts führt, der sich zwischen der jeweiligen
aufgeweiteten Zylinderhülse und dem jeweiligen Endabschnitt ergeben könnte.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführung ist Druckmittel über den jeweiligen Gelenkkopf und über eine jeweilige Durchgangsausnehmung der Flanschscheibe einer Zylinder- hülse zuführbar und von einer Zylinderhülse abführbar ist. Die Arbeitsräume in den Zylinderhülsen werden also über die Gelenkköpfe und die Flanschscheibe kommutie- rend mit den Außenanschlüssen der Axialkolbenmaschine verbunden.
Dabei kann eine zweite Variante der Kommutierung derart erfolgen, dass die Kolben Hohlkolben sind, wobei Druckmittel in die verschiedenen Arbeitsräume über den jeweiligen Kolben, über die Rotorscheibe und über die Schrägscheibe oder die Verstelllinse zugeführt und aus den Arbeitsräumen abgeführt werden kann. Die zweite Variante der Kommutierung kann alternativ oder in Ergänzung zur ersten Variante der Kommutierung erfolgen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der ersten Variante der Kommutierung durch die Flanschscheibe bei einer Verwendung der Axialkolbenmaschine als Pumpe mit konstanter Druckseite und konstanter Drehrichtung hat eine zusätzliche Ansaugniere in der Schrägscheibe oder in der Verstelllinse. Auch dabei sind hohle Kolben vorgesehen, wodurch die Füllung der Arbeitsräume bei hohen Drehzahlen deutlich verbessert ist. Dies gleicht den möglichen Nachteil eines größeren Teilkreises durch die Verwendung der Einzelverdränger (doppelte Wandstärke zwischen den Kolbenbohrungen) wieder aus.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist die Flanschscheibe hydrostatisch entlastet. An ihrem Außenumfang kann sie über ein Wälzlager im Gehäuse gelagert. Sein.
Die Zylinderhülsen können innen und/oder die Kugelabschnitte der Gelenkköpfe und der Kolben außen beschichtet sein.
Wenn die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine als Motor betrieben wird, zeigt dieser ein sehr gutes Anfahrverhalten.
Auch wenn der Schwenkwinkel und damit der Verstellbereich gegenüber einer Lösung mit einseitiger Welle verringert sein werden, ist bei einer bevorzugten Weiterbildung die Welle durch die Axialkolbenmaschine durchgehend.
Dabei wird eine Weiterbildung besonders bevorzugt, die eine zweite im Wesentlichen gleiche erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine hat. Diese kann insbesondere gespiegelt zur ersten Maschine angeordnet sein. Wenn die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine als Pumpe in einem geschlossenen beziehungsweise System mit einem erhöhten Niederdruck verwendet wird, sowie bei wechselnden Drehrichtungen ist ein zusätzliches Nachsaugventil vorteilhaft, das in die Verstelllinse integriert ist.
Bei einer bevorzugten erfindungsgemäßen hydrostatischen Axialkolbenmaschine ra- gen die Kolben mit einem Kugelkopf dichtend in die Zylinderhülsen hinein. Dadurch können die kleinen Winkelbewegungen zwischen Kolben und Zylinderhülse ausgeglichen werden, wobei die Abdichtung voll erhalten bleibt. Wegen der kugeligen Enden der Kolben und der Gelenkköpfe kann man auch von einer hydrostatischen Axialkolbenmaschine mit Doppelkugeltriebwerk (DKT) sprechen.
Beim Doppelkugeltriebwerk werden die translatorische Hubbewegung des Kolbens (Hubfunktion) und die notwendige kinematische Ausgleichbewegung (Gelenkfunktion) zwischen Kolbenachse und Zylinderhülsenachse gleichzeitig durch den Kugelkopf des Kolbens ausgeführt. Diese Zusammenfassung der beiden Funktionen in der Kugel hat zur Folge, dass die zur Verfügung stehende Dichtlänge am Kugelkopf sehr kurz ist. Theoretisch ist es nur eine Linienabdichtung. Um dennoch gegen große hydraulische Drücke abzudichten, muss der Spalt zwischen Kugel und Zylinderhülse sehr klein im Bereich von 3 bis 4 Mikrometer gehalten werden. Der Fertigungsaufwand ist dementsprechend hoch. Außerdem ist die Linienabdichtung der Kugel im Zylinderrohr empfindlich gegen Schmutzverschleiß. Partikel, die durch den engen und kurzen Dichtspalt hindurchgezogen werden, hinterlassen Riefen in der Kugelbzw. Rohroberfläche, die zu erhöhter Leckage führen. Die Kugelform ist dabei besonders empfindlich, weil die Dichtlänge prinzipbedingt sehr kurz ist. Vorteilhaft ist beim Doppelkugel-Triebwerk, dass ein durchgängiges zylindrisches Rohr verwendet werden kann, dass leicht zu fertigen ist. Nachteilig daran ist jedoch, dass nun zwei Kugeln ganz genau zugepaart/gefertigt werden müssen. Es müssen die Kugel des Gelenkkopfs, sowie die Kugel des Kolbens mit gleichem/ähnlichem Spiel in das Zylinderrohr gepaart werden. Das heißt, das Problem der extrem engen Tolerierung liegt gleichzeitig an zwei Stellen des Verdrängers vor. Das System Kolben-Zylinderhülse ist im Vergleich zu einem Doppelkugeltriebwerk leichter zu fertigen und besitzt eine höhere Verschleißfestigkeit, wenn die Kolben ein zylindrisches Hubteil, das dicht gleitend an der Zylinderhülse geführt ist, und ein Basisteil umfasst, das an der Rotorscheibe befestigt und mit dem Hubteil über ein Ku- geigelenk verbunden ist.
Vorzugsweise ist das Hubteil innen in der Zylinderhülse geführt ist.
Das Kugelgelenk zwischen dem Hubteil und dem Basisteil eines Kolbens axial vor einer Zylinderhülse befindet.
Bevorzugt befindet sich das Kugelgelenk zwischen dem Hubteil und dem Basisteil eines Kolbens innerhalb einer Zylinderhülse befindet. Vorteil dieser Anordnung ist die kurze Baulänge. Insbesondere befindet sich das Kugelgelenk zwischen dem Hubteil und dem Basisteil eines Kolbens innerhalb einer Zylinderhülse innerhalb der Führungslänge zwischen Zylinderhülse und Hubteil befindet. Das verringert den„Schub- ladeneffekt", der zum Verklemmen des Kolbens in der Zylinderhülse führen könnte.
Der zylindrische Kolben in der Zylinderhülse ermöglicht eine größere Dichtlänge als eine Kugel in der Zylinderhülse. Die Anordnung gestattet außerdem das separate Zupaaren der Kugel des Gelenkkopfs zur Zylinderhülse einerseits, sowie der Gelenkkugel zu der Kugelaufnahme des Kolbens andererseits. Die Kugeln von Gelenkkopf und Kolben müssen nicht exakt gleich gefertigt sein. Die Genauigkeit dieser Kugeln bezieht sich auf jeweils nur ein Gegenbauteil (Zylinderhülse beziehungsweise Kugelaufnahme). Dadurch wird die Fertigung der Bauteile, insbesondere das Zumessen der notwendigen Spiele, wesentlich erleichtert.
Die Gelenkköpfe können anstelle mit Kugel, die von der Zylinderhülse aufgenommen ist, als konkave oder konvexe Gelenkkalotte ausgebildet sein, an der eine Zylinder- hülse an einer Stirnseite aufliegt. Vorteilhafterweise liegen die Zylinderhülsen an den Gelenkkalotten kraftschlüssig insbesondere unter Beaufschlagung mit der Kraft einer Feder an.
Dazu können die Zylinderhülsen außen einen ringförmigen Bund aufweisen Außer- dem ist eine Rückhalteplatte mit jeweils einer kalottenförmigen Ausnehmung für die Aufnahme des Bundes und Niederhalten einer Zylinderhülse auf der Gelenkkalotte vorhanden.
Die Rückhalteplatte ist in einer Weiterbildung von einer Feder beaufschlagt, die sich an der Triebwelle abstützt.
Die Ausbildung der Gelenkköpfe als konkave oder konvexe Gelenkkalotte hat auch dann spezielle Vorteile, wenn die Kolben nicht ein Hubteil und ein Basisteil umfassen, sondern auch dann, wenn die Kolben mit einem kugeligen Kolbenkopf direkt in die Zylinderhülsen eintauchen.
In besonders vorteilhafter Weise sind die Verdrängerräume über die Flanschscheibe und einer Verteilerplatte, an der die Flanschscheibe anliegt, im Betrieb abwechselnd fluidisch mit zwei Arbeitsanschlüssen verbindbar sind. Danach findet also die Kom- mutierung der Verdrängerräume zwischen Hochdruck und Niederdruck über die Gelenkköpfe, die Flanschscheibe und eine Verteilerplatte statt, die auch ein Gehäuseteil sein kann. Die Gelenkköpfe haben also eine Zentralbohrung für die Kommutierung. Diese Zentralbohrung kann im Durchmesser größer als in den Kolben sein, da die Gelenkköpfe an ihrem Fuß nicht so stark eingeschnürt sein müssen wie die Kolben. Es sind somit große Durchflussquerschnitte mit nur geringen Leitungsverlusten auch dann möglich, wenn diese Volumenströme nicht über Rotorscheibe geleitet werden. Dass die Volumenströme nicht über die Rotorscheibe fließen, macht die Konstruktion vor allem dann einfacher, wenn die Rotorscheibe in ihrer Schrägstellung verstellbar ist.
Zweckmäßigerweise haben die Kolben oder die Gelenkköpfe zu den
Verdrängerräumen hin offene Ausnehmungen zur Spaltkompensation. Es ist also nicht nur dasjenige der beiden Bauteile hohl, durch das die Konnnnutierung stattfindet, sondern auch das andere.
Vorzugsweise ist die Schrägstellung der Rotorscheibe bezüglich der Achse der Triebwelle veränderbar ist. Die erfindungsgemäße hydrostatische Axialkolbenma- schine ist also bevorzugt eine in ihrem Verdrängungsvolumen (Hubvolumen oder Schluckvolumen pro Umdrehung) verstellbare Maschine. Insbesondere ist die
Schrägstellung der Rotorscheibe von einer Stellung aus, in der der Hub der Kolben in den Zylinderhülsen null ist, nach entgegengesetzten Richtungen verschwenkbar ist. Man spricht auch von einer über null oder über eine Nullstellung verschwenkbaren Hydromaschine. Als Motor erlaubt es eine solche Maschine, allein durch die Verstellung über null die Drehrichtung der Abtriebswelle umzukehren und damit einen Zwei- Quadranten-Betrieb und zum Beispiel Fahren vorwärts und Fahren rückwärts eine Fahrzeugs zu realisieren. Ist die Hydromaschine dann auch noch als Pumpe betreibbar, so hat man einen Vier-Quadranten-Betrieb mit der Möglichkeit positiver und negativer Drehmomente und Drehung in entgegengesetzte Richtungen.
Die Gelenkköpfe können in einer kalottenartigen Aufnahme der Zylinderhülsen allseitig schwenkbar gelagert sein, so dass die Dichtlänge zwischen den Zylinderhülsen und den Gelenkköpfen im Vergleich zu einer linienförmigen Berührung vergrößert ist.
Mehrere Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen hydrostatischen Axialkolbenmaschine sind in den Zeichnungen dargestellt. Anhand der gezeigten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung nun näher erläutert.
Es zeigen
Figur 1 einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel, das vom Gesamtaufbau her ähnlich einer Schrägscheibenmaschine ausgebildet ist, Figur 2 in schematischer Weise ein zweites Ausführungsbeispiel mit einer ab- gewandelten Anordnung der Bauteile,
Figur 3 in schematischer Weise ein drittes Ausführungsbeispiel mit zweiteiligen Kolben, Figur 4 in schematischer Weise ein viertes Ausführungsbeispiel ebenfalls mit zweiteiligen Kolben,
Figur 5 in schematischer Weise ein fünftes Ausführungsbeispiel, bei dem die Gelenkköpfe als konkave Gelenkkalotten ausgebildet sind,
Figur 6 in schematischer Weise ein sechstes Ausführungsbeispiel, bei dem die Gelenkköpfe als konvexe Gelenkkalotten ausgebildet sind,
Figur 7 in schematischer Weise ein siebtes Ausführungsbeispiel, bei dem die Gelenkköpfe wieder als konkave Gelenkkalotten ausgebildet sind, in denen die Zylinderhülsen durch Beaufschlagung mit einer Feder kraftschlüssig gehalten sind,
Figur 8 in schematischer Weise ein achtes Ausführungsbeispiel, bei dem die
Gelenkköpfe mit ihren kugeligen Endabschnitten zur Vergrößerung der Dichtlänge in ein kalottenartiges Füllstück der Zylinderhülsen eingesetzt sind,
Figur 9 in schematischer Weise ein neuntes Ausführungsbeispiel ähnlich demjenigen aus Figur 8, wobei das Füllstück zweigeteilt ist,
Figur 10 in schematischer Weise ein zehntes Ausführungsbeispiel, bei dem die Gelenkköpfe mit ihren kugeligen Endabschnitten an einem kalottenartigen Absatz der Zylinderhülsen gehalten sind, und
Figur 1 1 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel, das vom Gesamtaufbau her ähnlich einer Schrägachsenmaschine ausgebildet ist,
Die Verdrängerräume der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Axialkolbenmaschinen werden jeweils aus einer Zylinderhülse 31 , einem Gelenkkopf 32 und einem Kolben 33 gebildet. Gelenkkopf und Kolben sind jeweils an den Enden, die die Begrenzung des Verdrängerraums bilden, kugelförmig mit einem Kugelkopf 9 beziehungsweise mit einem Kugelkopf 16 ausgebildet, der auf einem Verbindungsabschnitt 8 beziehungsweise 14 mit einer kreiszylindrischen Außenkontur sitzt.. Dadurch wird neben der Abdichtfunktion gleichzeitig die kinematisch notwendige Gelenkfunktion abgebildet. Darüber hinaus besitzt diese Anordnung den Vorteil, dass die Gelenkfunktion sowohl auf der Seite des Gelenkkopfes, als auch auf der Seite des Kolbens prinzipbedingt (Kugel in Rohr) mit einer hydrostatischen Entlastung von 100 Prozent ausgeführt ist. Damit sind die hochbelasteten Gelenke der Hydromaschine prinzipbedingt reibungsarm ausgeführt.
Außerdem besitzt diese Anordnung den Vorteil, dass alle Elemente prinzipbedingt formschlüssig miteinander verbunden sind. Dadurch kann auf eine kraftschlüssige Verbindung von Gelenkkopf mit der Zylinderhülse, beziehungsweise der Zylinderhülse mit dem Kolben (zum Beispiel mittels Federn) gänzlich verzichtet werden. Das Verdrängerprinzip ist dadurch prinzipbedingt reibungsarm. Durch die formschlüssige Verbindung des Verdrängers besteht prinzipbedingt die Eignung für hohe Drehzah- len.
Gelenkkopf und Kolben weisen Ausnehmungen auf, die eine Spaltkompensation zwischen den Kugelköpfen 9, 16 und der sich unter Druck aufweitenden Zylinderhülse 31 ermöglichen. Die Ausnehmung ist so gestaltet, dass der verbleibende Spalt zwischen Zylinderhülse und Gelenkkopf, beziehungsweise Zylinderhülse und Kolben unter Druck gezielt konstant, beziehungsweise unter Druck kleiner werdend, beziehungsweise unter Druck größer werdend ausfällt, indem sich die Kugel druckabhängig aufweitet. Damit lassen sich die Leckageverluste über diese Spalte gezielt beeinflussen.
Die Gelenkköpfe 32 sind an der Flanschscheibe 34 befestigt und wandeln die hydraulischen Kräfte aus den Verdrängerräumen in ein Drehmoment an der Triebwelle 35. Mit ihren Achsen weisen die Gelenkköpfe parallel zur Achse der Triebwelle. Die Mittelpunkte der Kugelköpfe 9 der Gelenkköpfe 32 befinden sich also alle in dersel- ben senkrecht auf der Achse der Triebwelle stehenden Ebene. Mithilfe zweier Sicherungsringe 44 sind die Gelenkköpfe 32 und die Zylinderhülsen so aneinander gehalten, dass zwischen ihnen nur eine Schwenkbewegung stattfindet. Im Prinzip ist auch eine Rotationsbewegung möglich. Die Kolben 33 sind an der Rotorscheibe 36 befestigt und vollführen relativ zu den Zylinderhülsen 31 eine Hubbewegung. Die Achsen der Kolben 33 verlaufen entsprechend der veränderbaren Schrägstellung der Rotorscheibe schräg zur Achse der Triebwelle. Die Rotorscheibe wird synchron zur Drehzahl der Flanschscheibe 34 durch einen Mitnahmebolzen 37, der in einer Bohrung der Triebwelle steckt und in Schlitze an einem Kragen der Rotorscheibe eingreift, mitgenommen, wobei bei der Drehung eine Schwenkbewegung zwischen der Triebwelle und der Rotorscheibe stattfindet. Die Mitnahme kann zum Beispiel auch über ein kardanisches Gelenk, ein Gleichlaufgelenk, oder Ähnlichem erfolgen. Die Rotorscheibe ist auf der Schwenkwiege (Schrägscheibe) 38 zum Beispiel mittels eines hydrostatischen Lagers oder mittels eines Wälzlagers drehbar gelagert. Die Zentrierung der Rotorscheibe an der Schrägscheibe erfolgt über einen Zentrierbund 54 an der Schrägscheibe und eine
Zentriereindrehung 55 an der Rotorscheibe.
Die Triebwelle 35 ist beidseits der Flanschscheibe 34 mithilfe von Kegelrollenlagern 56 und 57 im Boden 58 eines Gehäusetopfs 59 und in einem Gehäusedeckel 51 drehbar gelagert. Die Rotorscheibe 36 und die Schrägscheibe 38 sind zwischen der Flanschscheibe 34 und dem Kegelrollenlager 56, also zwischen der Flanschscheibe 34 und dem Boden 58 des Gehäusetopfes 59 angeordnet und besitzen jeweils einen zentralen Durchgang 48, 49 zum Durchtritt der Triebwelle 35. Die Triebwelle ragt durch den Boden 58 nach außen und besitzt außen einen Wellenstummel, um damit mit einem antreibenden oder anzutreibenden Maschinenteil gekoppelt zu werden.
Die Hubverstellung der Kolben erfolgt, wie bei einer klassischen Schrägscheiben- Konstruktion, mittels eines Verstellsystems, das einen als Büchse ausgebildeten, ersten Verstellkolben 40 mit großer Wirkfläche, der von einem nicht näher gezeigten Ventil gesteuert wird, und einen Verstell kolben 41 kleiner Wirkfläche aufweist, der dauernd mit dem Hochdruck am einen Arbeitsanschluss beaufschlagt ist. Die Stellkolben sind einfach wirkende Kolben und arbeiten, sich bezüglich der Schwenkachse der Schrägscheibe gegenüberliegend, gegeneinander. Mit dem Stellkolben 41 wirkt in dieselbe Richtung eine Rückstellfeder 42, durch die eine Ruhestellung der Schrägscheibe vorgegeben ist.
Die Schrägescheibe kann von einer Nullstellung, in der sie eine Position einnimmt, in der die Kolben 33 keinen Hub ausführen, nach entgegengesetzten Richtungen verschwenkt werden. Man spricht auch von einer Verstellung über Null oder von einem Durchschwenken. Damit ist die hydrostatische Maschine für den Einsatz als Versteilmotor im offenen Kreis geeignet und für Sekundärregelung, also für eine Regelung der Drehzahl oder des Drehmoments der Maschine unabhängig vom gerade anstehenden Hochdruck geeignet, wobei nicht nur die Drehrichtung gewechselt, sondern auch vom Motorbetrieb in Pumpenbetrieb übergegangen werden kann. Sekundärregelung steht dabei der Primärregelung gegenüber, bei der die Fördermenge der Pumpe, also des Primäraggregats vorgegeben wird. Bei einer Sekundärregelung ist die Pumpe üblicherweise druckgeregelt, wobei jedoch die Druckvorgabe variabel sein kann.
Die Kommutierung erfolgt über einen Hochdruckkanal und einen Niederdruckkanal, die von nicht näher gezeigten sich am Gehäusedeckel 51 befindlichen Anschlussstellen zu einer Verteilerplatte 52 führen, die zwischen der Flanschscheibe 34 und dem Gehäusedeckel 51 drehfest bezüglich des Gehäusedeckels angeordnet ist. Zwischen der Flanschscheibe 34 und der Verteilerplatte 52 besteht eine Gleitpaarung. In der Verteilerplatte sind zwei, in dem Schnitt nach Figur 1 nicht sichtbare bogenförmige Aussparungen ausgebildet, von denen jede zu einem der Kanäle in dem
Gehäusedeckel 51 hin offen ist und mit denen bei der Drehung der Flanschscheibe 34 einzelne Kanäle oder Durchgangsausnehmungen 53 in der Flanschscheibe, die durch einen Gelenkkopf 32 hindurch jeweils zu einem Verdrängerraum führen, in Überdeckung gelangen.
Die Anordnung gemäß dem Ausführungsbeispiel ermöglicht eine durchgehende Triebwelle 35 und damit einen Durchtrieb und die Anordnung mehrerer Maschinen hintereinander. Ein solcher Durchtrieb ist auch möglich, wenn sich in einer Variante der gezeigten Axialkolbenmaschine die Flanschscheibe 34 in Bodennähe und die Rotorscheibe und die Schrägscheibe in Deckelnähe befinden oder wenn sich der Wellenstummel deckelseitig befindet.
Die Kommutierung der Verdränger erfolgt wie bei herkömmlichen hydrostatischen Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise durch eine Verteilerplatte 52, so- wie die Flanschscheibe 34. Dadurch ist eine Verstellung unabhängig von den Anforderungen der Kommutierung und der hydrostatischen Lagerung der Flanschscheibe möglich. Es sind große Schwenkwinkel und ein Durchschwenken realisierbar. Als Vorteile einer erfindungsgemäßen hydrostatischen Axialkolbenmaschine, insbesondere der als Ausführungsbeispiel anhand von Figur 1 oder später anhand von Figur 1 1 beschriebenen hydrostatischen Axialkolbenmaschine sind vor allem anzusehen: Direkte, querkraftfreie Wandlung der hydraulischen Kraft des Verdrängers in Drehmoment;
als Hydromotor deutlich besseres Anlaufverhalten im Vergleich mit Schrägscheiben- Konstruktionen, besseres Anlaufverhalten als Schrägachsen-Konstruktionen;
deutlich erweiterter Wandlungsbereich (praktisch nutzbarer Schwenkbereich) gegen- über Schrägachsen-Konstruktionen;
Verbrauchsreduzierung der hydraulischen Arbeitsmaschinen;
Maschine kann (zusätzlich zu den oben genannten Eigenschaften) durchschwenken, dadurch Eignung als Hydromotor im offenen Kreis (Sekundärregelung);
Kostenreduzierung, da offener Kreis weniger Komponenten, als geschlossener Kreis benötigt;
Maschine ist prinzipiell durchtriebsfähig (Mehrfachanordnung wie bei Schrägscheiben-Konstruktionen möglich).
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 2 besitzt die Triebwelle 35 wie bei der Aus- führung nach Figur 1 einen Wellenstummel 61 , in dessen Nähe sie mit Hilfe eines Drehlagers 56 in einem nicht näher dargestellten Gehäuse drehbar gelagert ist. Unmittelbar hinter dem Lager 56 ist die Flanschscheibe 34 drehfest auf der Triebwelle 35 angeordnet, wobei sie sich senkrecht zur Triebwelle erstreckt. Im Abstand zu der Flanschscheibe ist die Rotorscheibe 36 mit ihrer Achse schräg zur Achse der Trieb- welle angeordnet. Die Rotorscheibe wird unter Beibehaltung der Richtung ihrer Achse von der Triebwelle in Drehrichtung mitgenommen. Für die Triebwelle 35 kann au- ßer dem Lager 56, von der Flanschscheibe 34 gesehen, zum Beispiel hinter der Rotorscheibe ein zweites Lager vorhanden sein.
Die Verdrängereinheiten des Ausführungsbeispiels nach Figur 2 umfassen wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 an der Flanschscheibe 34 befestigte und mit ihren Achsen parallel zur Achse der Triebwelle weisende Gelenkköpfe 32 mit jeweils einem Kugelkopf 9 und mit einem Verbindungsabschnitt 8. Die Mittelpunkte der Kugelköpfe 9 der Gelenkköpfe 32 befinden sich alle in derselben senkrecht auf der Achse der Triebwelle stehenden Ebene. Außerdem umfassen die
Verdrängereinheiten wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 an der Rotorscheibe 36 befestigte Kolben 33 mit Kugelköpfen 16 und Verbindungsabschnitten 14. Die Achsen der Kolben 33 verlaufen entsprechend der gegebenenfalls veränderbaren Schrägstellung der Rotorscheibe 36 schräg zur Achse der Triebwelle. Schließlich gehört zu jeder Verdrängereinheit noch eine Zylinderhülse 31 , in die die Kugelköpfe 9, 16 der Gelenkköpfe 32 und der Kolben 33 eintauchen. Gegenüber den Gelenkköpfen 32 führen die Zylinderhülsen 31 aufgrund der nicht näher gezeigten Ausbildung des Gelenks nur eine Schwenkbewegung aus. Der Winkel der Schwenkbewegung ist dabei relativ groß. Relativ zu den Kolben 33 vollführen die Zylinderhülsen eine Schub- und Schwenkbewegung, wobei der Winkel der Schwenkbewegung wesent- lieh kleiner als an den Gelenkköpfen ist.
Bei den beiden Ausführungsbeispielen nach den Figuren 1 und 2 haben die Kugelköpfe 16 der Kolben 33 einerseits die Funktion, die kinematische Ausgleichsbewegung zwischen der Kolbenachse und der Zylinderhülsenachse zu ermöglichen (Ge- lenkfunktion) und andererseits die Funktion die Verdrängerräume abzudichten (Dichtfunktion). Diese Zusammenfassung der beiden Funktionen in der Kugel hat zur Folge, dass die zur Verfügung stehende Dichtlänge am Kugelkopf sehr kurz ist (Linienabdichtung der Kugel). Um dennoch gegen große hydraulische Drücke abzudichten, muss der Spalt zwischen Kugel und Zylinderhülse sehr klein im Bereich von einigen Mikrometer gehalten werden. Der Fertigungsaufwand ist dementsprechend hoch. Außerdem ist die Linienabdichtung der Kugel im Zylinderrohr empfindlich gegen Schmutzverschleiß. Partikel, die durch den engen und kurzen Dichtspalt hindurchgezogen werden, hinterlassen Riefen in der Kugel- beziehungsweise Rohroberfläche, die zu erhöhter Leckage führen. Die Kugelform ist dabei besonders empfindlich, weil die Dichtlänge prinzipbedingt sehr kurz ist. Vorteilhaft ist beim Doppelkugel-Triebwerk, dass als Zylinderhülse ein durchgängiges zylindrische Rohr ver- wendet werden kann, dass leicht zu fertigen ist. Nachteilig daran ist jedoch, dass nun zwei Kugeln ganz genau zugepaart/gefertigt werden müssen. Es muss die Kugel 9 des Gelenkkopfs 32, sowie die Kugel 16 des Kolbens 33 mit gleichem/ähnlichem Spiel in das Zylinderrohr gepaart werden. Das heißt, das Problem der extrem engen Tolerierung liegt gleichzeitig an zwei Stellen des Verdrängers vor.
Das Ausführungsbeispiel nach Figur 3 ist nur im Hinblick auf die Ausbildung der Kolben 33 anders gestaltet als die Ausführungsbeispiele nach den Figuren 1 und 2. Und zwar umfassen die Kolben nun ein Hubteil 70 und ein Basisteil 71 . Das Basisteil ist an der Rotorscheibe 36 befestigt und hat einen Kugelkopf. Das Hubteil 70 ist zylind- risch ausgeführt, taucht zylindrisch in die Zylinderhülse 31 ein und macht gegenüber der Zylinderhülse keine Schwenkbewegung. Es hat außerhalb der Zylinderhülse eine Aufnahmekalotte für den Kugelkopf des Basisteils. Durch die Aufnahmekalotte des Hubteils und den Kugelkopf des Basisteils ist ein Kugelgelenk gebildet, in dem die notwendige Ausgleichsbewegung zwischen der Achse der Zylinderhülse und der Achse der Rotorscheibe stattfindet.
Anstelle in die Zylinderhülse einzutauchen kann bei einer alternativen Version das Hubteil auch über die Zylinderhülse greifen. Das Hubteil hätte dann zwei voneinander getrennte Aufnahmen, eine für die Zylinderhülse und eine für den Kugelkopf des Basisteils.
Alternativ zu dem Ausführungsbeispiel nach Figur 3 kann sich gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Figur 4 das Kugelgelenk zwischen einem Hubteil 70 und einem Basisteil 71 eines Kolbens 33 an einer Stelle des Hubteils 70 befinden, die in die Zy- linderhülse 31 eintaucht. Gegenüber der Ausbildung gemäß Figur 3 liegt der Vorteil der Ausbildung nach Figur 4 in der kürzeren Baulänge. Außerdem befindet sich der Kugelmittelpunkt des Gelenks zwischen Hubteil und Basisteil innerhalb der Führung der Zylinderhülse 31 , so dass die Klemmneigung des Hubteils (Schubladeneffekt) geringer als bei der Version nach Figur 3 ist.
Das zylindrische Hubteil in der Zylinderhülse gemäß den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 3 und 4 ermöglicht eine größere Dichtlänge als eine Kugel in der Zylinderhülse. Die Anordnung gestattet außerdem das separate Zupaaren der Kugel des Gelenkkopfs 32 mit der Zylinderhülse 31 einerseits, sowie der Gelenkkugel des Basisteils 71 mit der Gelenkkalotte des Hubteils 70 andererseits. Die Kugeln von Gelenkkopf 32 und Gelenkkugel des Basisteils 71 müssen nicht exakt gleich gefertigt sein. Die Genauigkeit dieser Kugeln bezieht sich auf jeweils nur ein Gegenbauteil, nämlich auf die Zylinderhülse beziehungsweise die Kugelkalotte des Hubteils. Dadurch wird die Fertigung der Bauteile, insbesondere das Zumessen der notwendigen Spiele, wesentlich erleichtert. Die Figuren 5 bis 7 zeigen Ausführungsbeispielen, bei denen anders als bei den Ausführungsbeispielen nach Figuren 1 bis 4 die Gelenkköpfe nicht mit Kugeln vor der Flanschscheibe 34, sondern gemäß der Ausführung nach Figur 5 als konkave Gelenkkalotte 80, also als kugelsegmentartige oder kugelschichtartige Vertiefung in der Flanschscheibe 34, in die die Zylinderhülse 31 eintaucht, oder gemäß der Ausfüh- rung nach Figur 6 als konvexe Gelenkkalotte 82, also als kugelsegmentartige oder kugelschichtartige Erhöhung an der Flanschscheibe 34, auf der die Zylinderhülse 31 aufsitzt, ausgeführt sind. Die Zylinderhülse 31 kann mittels kraftschlüssiger Verbindung, zum Beispiel mit einer in den Figuren 5 und 6 nicht gezeigten Feder an die Gelenkkalotte angelegt werden.
Figur 7 zeigt eine mögliche konstruktive Ausgestaltung dieser kraftschlüssigen Verbindung für eine konkave Gelenkkalotte. Mit der Zylinderhülse 31 ist fest ein ringförmiger Bund 84 verbunden. Es ist eine parallel zur Flanschscheibe 34 liegende An- druckplatte 85 vorhanden, die kugelschichtförmige Ausnehmungen 86 aufweist, die zur Flanschscheibe 34 hin einen größeren Durchmesser als an der der Flanschscheibe abgewandten Seite der Andruckplatte haben. Der Bund 84 einer Zylinderhülse 31 ist von einer Ausnehmung 86 aufgenommen. Über eine Feder 87, die sich an der Triebwelle 35 abstützt, über den Bund 84 und über die Andruckplatte 85 wird die Zylinderhülse an die Gelenkkalotte 80 angelegt.
Bei den Ausführungen nach den Figuren 5 und 7 kann die Zylinderhülse an ihrer in die Gelenkkalotte eintauchenden Stirnseite derart angeschrägt werden, dass sie mit der inneren Kante der Stirnseite auf der Gelenkkalotte aufsitzt. Dann hat der im Arbeitsraum anstehende Druck keine Angriffsfläche an der Zylinderhülse.
Die Anordnungen nach den Figuren 5 bis 7 können mit den konstruktiven Ausfüh- rungen gemäß den Figuren 1 bis 4 kombiniert werden.
In den Figuren 8, 9 und 10 ist jeweils eine Verdrängereinheit von mehreren
Verdrängereinheiten eines Ausführungsbeispiels gezeigt, das grundsätzlich wie die Ausführung nach Figur 2 aufgebaut ist. Eine Verdrängereinheit der Ausführungsbei- spiele nach den Figuren 8, 9 und 10 umfasst also einen an einer nicht näher dargestellten Flanschscheibe befestigten und mit seiner Achse parallel zur Achse einer Triebwelle weisenden Gelenkkopf 32 mit einem Kugelkopf 9 und einem kreiszylindrischen Verbindungsabschnitt 8. Die Mittelpunkte der Kugelköpfe 9 der Gelenkköpfe 32 befinden sich alle in derselben senkrecht auf der Achse der Triebwelle stehenden Ebene. Außerdem umfasst die Verdrängereinheit einen an einer nicht näher dargestellten Rotorscheibe befestigten Kolben 33, der einen Kugelkopf 16 und einen kreiszylindrischen Verbindungsabschnitt 14 hat. Die Achsen der Kolben 33 verlaufen entsprechend der gegebenenfalls veränderbaren Schrägstellung der Rotorscheibe schräg zur Achse der Triebwelle. Schließlich gehört zu jeder Verdrängereinheit noch eine Zylinderhülse 31 , in die die Kugelköpfe 9, 16 der Gelenkköpfe 32 und der Kolben 33 eintauchen.
Bei den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 8 bis 10 ist nun das Problem der extrem engen Tolerierung zur Abdichtung zwischen den Zylinderhülsen und den Ge- lenkköpfen dadurch umgangen, dass die Dichtlänge zwischen den Kugelköpfen 9 der Gelenkköpfe 32 und den Zylinderhülsen 31 über eine bloße Linie hinaus verlängert ist. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 8 ist jeweils ein einstückiges Füllstück 90 im Inneren einer Zylinderhülse 31 befestigt. Die Außenkontur des Füllstücks ist kreiszylindrisch wie die Innenkontur der Zylinderhülse. Die Innenkontur des Füllstücks ist so gestaltet, dass es die Bewegung in Richtung Zylinderhülsenachse zwischen der Zylinderhülse 31 und dem Gelenkkopf 32 versperrt, aber die Schwenkbewegung und eine Rotationsbewegung nicht beeinträchtigt. Vorliegend ist die Innenkontur eine Kugelschicht, die symmetrisch beidseits eines in einer Ebene senkrecht zur Achse der Zylinderhülse liegenden Großkreises liegt. Aus Gründen der Festigkeit ist das Füll- stück in Richtung der Achse de Zylinderhülse 31 breiter als die Kugelschicht. An die Kugelschicht schließt beidseits noch eine kreiszylindrische Innenkontur an. Möglich ist auch eine kegelige Innenkontur, die auf den Schwenkbereich des Verbindungsabschnitts 8 abgestimmt ist. Das Füllstück wird zunächst auf den Kugelkopf 9 des Gelenkkopfes 32 aufgebracht und dann in die Zylinderhülse eingesetzt.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 9 ist das Füllstück 90 zweigeteilt mit einer Teilungsebene, in der der oben angesprochene Großkreis liegt, so dass sich das Füllstück aus zwei gleichen Füllstückhälften 91 zusammensetzt, die um 180 Grad gedreht in die Zylinderhülse eingesetzt sind. Hier wird zunächst die eine Füllstück- hälfte 91 eingesetzt. Dann wird die Zylinderhülse über den Gelenkkopf geschoben. Schließlich wird die andere Füllstückhälfte, die zuvor schon über den im Durchmesser kleineren Verbindungsabschnitt 8 des Gelenkkopfs geschoben worden ist, in die Zylinderhülse 31 eingesetzt. Das Füllstück 90 ist ob einteilig oder zweiteilig aus einem geeigneten Material gefertigt, das in der Regel weicher ist als die Zylinderhülse. Dies erleichtert die Montage des Füllstücks. Die Befestigung des Füllstücks beziehungsweise seiner einzelnen Teile im Inneren der Zylinderhülse kann zum Beispiel durch Einpressen erfolgen. Statt ein Füllstück mit einem Absatz auf beiden Seiten zu verwenden, kann, wie dies bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 10 geschehen ist, die Zylinderhülse 31 mit einem zum Ende der Zylinderhülse hin offenen, kugelkalottenförmigen Absatz 95 ge- fertigt werden, wobei der Radius der Kalotte dem Radius des Kugelkopfes 9 eines Gelenkkopfes 32 entspricht. In Figur 10 sind der Absatz 95 und der Kugelkopf 9 der Deutlichkeit halber mit unterschiedlichen Radien gezeichnet. Auf der anderen Seite des Kugelkopfes 9 ist ein Sprengring 97 in die Zylinderhülse 31 eingesetzt, durch den der Kugelkopf 9 in der Kalotte 95 gehalten ist. Durch die Anlage von Kugelkopf und Kalotte aneinander ist eine lange Dichtstrecke realisiert. Alternativ zu einem Sprengring kann auch ein Füllstück eingesetzt werden, das einer Füllstückhälfte 91 aus Figur 9 entspricht. Bei beiden Versionen vergrößert sich die Dichtlänge im Vergleich zu einer linienförmigen Anlage zwischen Kugelkopf 9 und Zylinderhülse 31 .
Die Figur 1 1 zeigt das Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen hydrostatischen Axialkolbenmaschine, die gewisse Ähnlichkeiten mit einer Axialkolbenmaschine in Schrägachsenbauweise hat. Im Innern eines Gehäuses 1 sind mehrere Verdränger, vorliegend zum Beispiel sechs Verdränger, auf einer Kreisbahn angeordnet, von denen in der Figur nur zwei Verdränger dargestellt sind. Im Gehäuse 1 sind ein Hochdruckanschluss HD und ein Niederdruckanschluss ND ausgebildet. Diese sind über jeweilige Kanäle mit jeweils einer in dem Schnitt nach Figur 1 1 nicht sichtbaren kreisbogenförmigen Anschlussniere verbunden, von denen eine Anschlussniere oberhalb der Zeichenebene und die andere Anschlussniere unterhalb der Zeichen- ebene liegt. Die beiden Anschlussnieren stehen mit einer der Anzahl der Verdränger entsprechenden Anzahl von Durchgangsausnehmungen 2 in ständig wechselnder Wirkverbindung, die gleichmäßig auf einer Kreisbahn einer Flanschscheibe 4 verteilt angeordnet sind und im Betrieb an den beiden Anschlussnieren vorbeilaufen. Die Flanschscheibe 4 ist scheibenartig ausgebildet und über ein Wälzlager 6 im Gehäuse 1 gelagert.
In axialer Verlängerung jeder Durchgangsausnehmung 2 ist in der Flanschscheibe über einen hülsenförmigen Verbindungsabschnitt 8 ein Gelenkkopf 32 mit einem Kugelkopf 9 befestigt. Die Verbindungsabschnitte 8 haben gegenüber dem jeweiligen Kugelkopf 9 einen etwas verringerten Durchmesser. Auf prinzipiell ähnliche Weise ist an einer zur Flanschscheibe 4 angestellten Rotorscheibe 10 eine entsprechende Mehrzahl Durchgangsausnehmungen 12 vorgesehen, wobei in Flucht mit jeder Durchgangsausnehmung 12 am Zylinderboden 10 ein hohl ausgebildeter Kolben 33 mit einem hülsenförmigen Verbindungsabschnitt 14 an der Rotorscheibe 4 befestigt ist. Am freien Ende hat jeder Kolben 33 einen Kugelkopf 16. Der hülsenförmige Verbindungsabschnitt 14 weist gegenüber dem Kugelkopf 16 einen etwas verringerten Durchmesser auf.
Um die Kugelköpfe 9, 16 ist jeweils eine Zylinderhülse 18 als Begrenzung eines Arbeitsraumes 20 angeordnet. Der drehmomentbildende (Motorbetrieb betrachtet) erste, flanschseitige Kugelkopf 9 wird über eine geeignete Maßnahme in der Zylinder- hülse 18 fixiert, so dass diese im Betrieb nicht vom flanschseitigen Kugelkopf 9 abgezogen wird. Dabei weisen beide Kugelköpfe 9, 16 einen Durchmesser auf, der exakt dem Innendurchmesser der Zylinderhülse 18 entspricht, so dass kein Anteil der hydraulischen Kraft durch die Fixierung 22 aufgenommen werden muss, sondern nur Reibkräfte.
Die Kommutierung, also die abwechselnde Verbindung der Arbeitsräume zum Hochdruck- und zum Niederdruckanschluss HD, ND der Axialkolbenmaschine, erfolgt durch die flanschseitigen Anschlussnieren, durch die Flanschscheibe und durch die an der Flanschscheibe befestigten Gelenkköpfe 32 hindurch. Die Flanschscheibe 4 ist verschieblich an einer Triebwelle 24 befestigt und radial gelagert. Die axiale Lagerung der Flanschscheibe 4 gegenüber dem Gehäuse 1 übernimmt eine hydrostatische Entlastung, die vorteilhaft mit der Kommutierung zusammengeführt ist. Die Trennung von radialer und axialer Last ermöglicht eine sehr präzise Abstimmung der axialen Entlastung hin zu 100% Entlastungsgrad und damit eine sehr reibungsarme Abstützung. Durch die kolbenseitigen Kugelköpfe 16 und die vollständige Entlastung braucht nur noch eine sehr schwache Andruckfeder (nicht gezeigt) eingesetzt zu werden, da die Hysterese durch die Reibkräfte im Wechsel zwischen einem Motor- und einem Pumpenbetrieb gering ist. Durch entsprechende
Umsteuerungsgeometrien an den Anschlussnieren wird ein pulsationsarmer Lauf gewährleistet. Die Rotorscheibe 10 wird von der Triebwelle 24 über eine Kardanwelle 26 mitgenommen. Die ungleichförmige Dreh Übertragung, die einem Kardangelenk innewohnt, wird durch die beidseitigen Kugelköpfe 9, 16 der Einzelverdränger ausgeglichen. Ebenfalls ausgeglichen wird die auf die Rotorscheibe 10 bezogene Ellipsenbahn von den Mittelpunkten der kolbenseitigen Kugelköpfe 16. Damit ist das System vollständig bestimmt, im Gegensatz zur Schrägachsenmaschine mit Kegelkolben mit unbestimmter Zylindermitnahme gemäß dem Stand der Technik. Die Rotorscheibe 10 wird ebenfalls über eine hydrostatische Entlastung von einer Verstelllinse 28 entkoppelt. Ein großer Vorteil der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine gemäß Figur 1 1 ist die Möglichkeit, die Rotorscheibe 10 über die Verstelllinse 28 geometrisch in beide Richtungen zu verschwenken, was bei einer Schrägachsenkonstruktion gemäß dem Stand der Technik nur mit Jochbauweise zu realisieren ist. Dies ist in der Trennung von Kommutierung und Entlastung des schwenkenden Elementes begründet.
Die Verstellung der Verstelllinse 28 kann über Längs- oder Querverstellung mechanisch, hydraulisch oder elektrisch erfolgen. Durch die große Fläche der Verstelllinse 28 ohne Durchbruch ist es vorteilhaft, sie in reibarmen Kunststoff-Verbundlagern gegenüber dem Gehäuse 1 zu lagern. Eine Schmierung oder Entlastung kann über die Rotorscheibe 10 (oder den hydraulischen Stellmechanismus, falls die Maschine verstellbar ausgebildet ist) erfolgen.
Die Kernteile jedes Verdrängers, also die Kugelköpfe 9, 16 und die Zylinderhülsen 18, sind jeweils in ihrer Steifigkeit aneinander angepasst, damit die Spaltaufweitung unter Druck kompensiert wird. Dies kann durch Materialeigenschaften oder mechanische Steifigkeiten erreicht werden.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind alle Bauteile präzise geschliffen. Durch geschickte Materialwahl und/oder Fertigungsverfahren (Kunststoff-Spritzguss, Sinter- materialien, CIM, MIM, Tiefziehen, Fließpressen, Rollieren, Stanzen,...) können Funktions- und/oder Kostenvorteile generiert werden.